76,8 километра в секунду на мегапарсек.
Мегапарсек равен примерно 30 миллионам триллионов километров, или, возможно, лучше обозначить как 30 миллиметров. Учитывая значимые цифры и большой знаменатель, это делает эту константу чрезвычайно точной. Но насколько это точно? Другие измерения с использованием различных методов дают значения 74,03, 71,9, 69,8 и даже 67,4.
Мы говорим о постоянной Хаббла, скорости расширения Вселенной. Эдвин Хаббл впервые предположил, что вся Вселенная расширяется, в 1929 году. Первоначально это предположение было основано на наблюдениях Харлоу Шепли о том, что другие галактики, по-видимому, удаляются от нас. Их цвет смещен в сторону красного из-за эффекта доплера, который влияет на свет, приходящий к нам от этих галактик. (Кстати, это относится к галактикам за пределами нашего местного скопления галактик, которые удаляются от нас неравномерно, потому что связаны гравитацией). Затем Хаббл провел обширные измерения красного смещения галактик и обнаружил, что чем дальше галактики, тем сильнее они смещены в красную сторону. Это можно было бы объяснить, если бы вся Вселенная расширялась.
В 2011 году трое астрофизиков были удостоены Нобелевской премии за открытие того, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется. Это означает, что должна существовать неизвестная сила, преодолевающая гравитационное притяжение и расталкивающая все на части – сила, которую сейчас называют темной энергией. Но темная энергия – это не та загадка, о которой я говорю в названии.
Загадка постоянной Хаббла заключается в том, почему разные астрономы и разные методы получают разные значения? Здесь есть несколько общих возможностей – когда разные измерения расходятся во мнениях. Возможно, что сами измерения просто неточны. Это всегда первое предположение, и его необходимо изучить и исключить, прежде чем всерьез рассматривать другие объяснения.
Как правило, по мере проведения все более тщательных измерений или совершенствования методов или инструментария результаты измерений начинают сходиться к реальному ответу. Проблема решена. Однако это не то, что происходит с постоянной Хаббла. Возможно, еще слишком рано говорить наверняка, но до сих пор результаты измерений не были устойчиво сходящимися. В этом, по сути, и заключается загадка.
Другая возможность заключается в том, что измерения в целом точны, но разные измерения измеряют разные величины. В случае постоянной Хаббла возникает вопрос: расширяется ли каждая часть Вселенной с одинаковой скоростью? Итак, если мы вычислим постоянную Хаббла в одной части Вселенной, будет ли она такой же в другой части? Возможно, расширение неравномерно. Мы уже знаем, что это верно из–за ускоренного расширения – более старые части Вселенной (помните, что “дальше” также означает “назад во времени”) расширяются не так быстро, как более молодые части. Но как насчет того, чтобы независимо от расстояния, просто в разных направлениях?
Третья возможность заключается в том, что расширение является равномерным (за исключением ускорения), но что различные используемые методы делают разные предположения о законах физики, и одно или несколько из этих предположений не являются точными. Это самая захватывающая возможность для физиков, поскольку она указывает путь к новым открытиям в области законов физики.
Позвольте мне привести историческую аналогию. Ранние наблюдения орбиты Меркурия отклонялись от законов движения Ньютона и Кеплера. Наблюдались аномалии. И снова возник вопрос: не ошибаются ли измерения, присутствует ли что–то, чего мы не учитываем, или законы физики отличаются от того, что мы понимаем в настоящее время? По мере того, как измерения становились более точными, аномалии сохранялись, что исключало такую возможность. Поэтому некоторые астрономы предположили, что вокруг Солнца вращается невидимая планета, возможно, слишком близко к Солнцу, чтобы ее можно было наблюдать непосредственно, но ее гравитационное воздействие искажает орбиту Меркурия. Они назвали эту гипотетическую планету Вулкан, но Вулкана не существует (за исключением “Звездного пути”).
Оказалось, что законы физики на самом деле другие. Механика Ньютона не была ошибочной, она была всего лишь приближением к реальным законам всемирного тяготения, которые позже были сформулированы Эйнштейном. Если принять во внимание общую теорию относительности, она точно объясняет орбиту Меркурия. Это, по сути, стало одним из ключевых подтверждений общей теории относительности.
Поэтому астрономы сегодня надеются, что загадка постоянной Хаббла получит аналогичное разрешение.
Некоторые из методов, используемых для измерения постоянной Хаббла, включают измерения переменных цефеид. Это звезды, яркость которых регулярно меняется, а период определяется их абсолютной яркостью. Это означает, что мы можем точно определить, насколько яркой является переменная Цефеида по ее периоду, а затем измерить ее видимую яркость и точно рассчитать, насколько далеко они находятся. Этот метод называется стандартной свечой и был первым методом, использованным для измерения удаленных звезд во Вселенной.
Тот же принцип используется и для спиральных галактик, называемый принципом Талли-Фишера. Чем быстрее вращаются спиральные галактики, тем ярче они становятся. Если вам известна внутренняя яркость и вы можете измерить видимую яркость, то, опять же, вы можете рассчитать расстояние. Еще одна стандартная свеча – это определенные типы сверхновых типа Ia. Они взрываются, когда достигают одного и того же критического размера, и поэтому все взрывы имеют одинаковую яркость, и вуаля – мы можем измерить расстояние до них.
Еще один метод заключается в использовании едва заметных изменений в фоновом космическом микроволновом излучении, которое является рассеянным остаточным излучением Большого взрыва. реликтовое излучение неоднородно, и мы можем многое рассказать о мегаструктуре Вселенной, наблюдая за незначительными изменениями в реликтовом излучении в разных направлениях и на разных расстояниях.
Это различные методы, используемые для измерения постоянной Хаббла. Итак, теперь задача астрофизиков состоит в том, чтобы выяснить, где в их моделях того, как все это работает, есть допущения, которые не совсем верны. Они надеются, что это не просто неточность самих измерений. Дело не только в инструментах. Они хотят, чтобы проблема заключалась в законах физики в том виде, в каком мы их понимаем в настоящее время, потому что тогда у нас была бы огромная подсказка, которая помогла бы нам лучше понять эти законы физики.
Оставайтесь с нами.
