В новом выпуске научно-популярного шоу StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его соведущий Мэтт Киршен обсудили так называемый «кризис в космологии» с выдающимся астрономом Венди Фридман. В центре дискуссии оказались свежие данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), которые проливают свет на многолетний спор о скорости расширения Вселенной и её точном возрасте. Исследования профессора Фридман предлагают элегантное решение проблемы хаббловского напряжения, ставя под сомнение необходимость радикального пересмотра базовых законов физики.
🌌 Судья для теоретиков: Венди Фридман и её новые награды 1:38
В астрофизике существует вечное и продуктивное противостояние между теоретиками и наблюдателями. По мнению Венди Фридман, данные всегда остаются главным арбитром: у учёных может быть множество красивых идей, но если они не соответствуют реальной Вселенной, их приходится отбрасывать. Фридман занимает престижную именную кафедру профессора астрономии и астрофизики имени Джона и Мэрион Салливан в Чикагском университете.
За последнее время её заслуги были отмечены на самом высоком государственном уровне:
- Она была удостоена Национальной медали науки США — высшей награды, которую американское правительство присуждает ученым через Национальный научный фонд.
- Журнал Time включил её в престижный список 100 самых влиятельных людей мира.
Как отметил Нил Деграсс Тайсон, Фридман обладает уникальным авторитетом на переднем крае науки, поскольку её новаторская работа по измерению скорости расширения Вселенной началась ещё на заре запуска космического телескопа «Хаббл».
📜 От 50 до 100: исторический спор о возрасте Вселенной 4:12
До того как телескоп «Хаббл» был выведен на орбиту, в астрономии велись ожесточенные кофейные споры о масштабах космоса. Ученые разделялись на два непримиримых лагеря: одни утверждали, что Вселенной около 10 миллиардов лет, другие — что ближе к 20 миллиардам. Суть дебатов сводилась к определению точного значения постоянной Хаббла ($H_0$).
Жерар де Вокулёр из Техасского университета возглавлял лагерь «молодой Вселенной» и настаивал на высоком значении постоянной — около 100 км/с/Мпк. В то же время Алан Сэндидж из Института Карнеги защищал низкое значение — около 50 км/с/Мпк. Размеры главного зеркала телескопа «Хаббл» изначально рассчитывались под конкретную задачу — они не могли быть меньше определенного лимита, чтобы прибор мог гарантированно фиксировать цефеиды (пульсирующие звезды) и разрешить этот фундаментальный спор. В конечном итоге, реальное значение постоянной Хаббла легло аккурат посередине между прогнозами двух противоборствующих групп, заставив оппонентов разделить ставки.
⚡ Что такое хаббловское напряжение и почему о нём говорят 8:09
В последнее десятилетие в космологии оформился новый глубокий разрыв, получивший броское название «хаббловского напряжения» (Hubble Tension). Речь идет о статистическом противоречии между двумя фундаментальными методами измерения расширения пространства.
Первый метод — локальный. Скорость расширения измеряется по окружающим нас астрономическим объектам, выполняющим роль «космических линеек» или «стандартных свечей». Базой этого метода служат открытые более века назад Генриеттой Ливитт цефеиды, чья видимая яркость строго коррелирует с периодом пульсации (в 2008 году на столетнем юбилее первой публикации ученые официально переименовали это соотношение в «закон Ливитт»). Наблюдения цефеид через телескоп «Хаббл» стабильно выдавали локальное значение $H_0$ в районе 73 км/с/Мпк.
Второй метод — глобальный (прогностический). Ученые берут за основу космический микроволновый фон (реликтовое излучение), оставшийся спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Спутник «Планк» Европейского космического агентства измерил тончайшие температурные флуктуации ранней Вселенной. При их подстановке в стандартную космологическую модель получается предсказание, что сегодняшняя скорость расширения Вселенной должна составлять ровно 67 км/с/Мпк с беспрецедентной погрешностью менее 1%.
Как подчеркивает Фридман, разница между 67 и 73 кажется незначительной по сравнению со старыми спорами, однако из-за крайне малых заявленных погрешностей доверительные интервалы двух методов вообще не пересекаются. Это и породило в прессе громкие заголовки о том, что вся современная космология находится в системном кризисе.
🔬 Три линейки «Джеймса Уэбба»: новые данные Фридман 21:02
Чтобы разрешить эту дилемму, исследовательская группа под руководством Венди Фридман запустила амбициозный проект на новейшем космическом телескопе «Джеймс Уэбб». Их стратегия заключалась в том, чтобы перепроверить локальные расстояния до галактик, задействовав сразу три независимых типа звездных индикаторов:
- Классические цефеиды;
- Звезды на вершине ветви красных гигантов (TRGB);
- Богатые углеродом звезды (углеродные звезды).
Особую ставку физики делают на метод TRGB. Наше Солнце тоже превратится в красный гигант примерно через 5 миллиардов лет. В процессе старения маломассивные звезды накапливают вырожденное гелиевое ядро, окруженное водородной оболочкой. Когда температура и масса ядра достигают критической точки, происходит так называемая гелиевая вспышка — термоядерный взрыв внутри звезды, после чего она резко меняет свои физические свойства. Эта вспышка всегда происходит при одной и той же строго фиксированной светимости, что делает вершину ветви красных гигантов идеальной, очень «чистой» стандартной свечой.
Использование «Джеймса Уэбба» позволило команде Фридман получить новое локальное значение постоянной Хаббла — около 70 км/с/Мпк. По мнению Фридман, эти результаты заставляют усомниться в существовании реального кризиса: если корректно пересчитать погрешности звездных методов, данные локальных наблюдений начинают прекрасно пересекаться и согласовываться с предсказаниями реликтового излучения. Ссылаясь на знаменитый тезис Карла Сагана, Фридман напомнила, что экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, которых сторонники «космологического кризиса» пока предоставить не могут.
🕵️ Точность против достоверности: систематические ошибки космологии 28:03
В ходе интервью спикеры подробно разобрали фундаментальную разницу между прецизионной точностью (precision) и фактической достоверностью (accuracy) измерений. В то время как повторение эксперимента снижает случайную погрешность, оно бессильно против систематических ошибок.
Главным источником систематических искажений при локальных измерениях выступает межзвездная пыль. Цефеиды рождаются в запыленных дисках галактик. Проходя сквозь пылевую завесу, свет звезд неизбежно тускнеет и смещается в красную область спектра (подобно тому, как солнце выглядит багровым во время лесных пожаров или пыльных бурь). Если астрофизики неидеально калибруют законы поглощения света пылью, далекие звезды кажутся им более тусклыми, а значит — ошибочно помещаются на более далекое расстояние, искусственно завышая постоянную Хаббла.
Фридман убеждена, что именно скрытые систематические факторы искажают локальные вычисления. Физика реликтового излучения относительно проста и линейна, тогда как традиционная астрономия вынуждена иметь дело со сложными, капризными нелинейными объектами — пульсирующими атмосферами звезд и не до конца изученными механизмами взрывов сверхновых. Более того, само название «постоянная Хаббла» технически является misnomer (ошибочным термином): это значение не константно во времени, оно постоянно меняется по мере расширения Вселенной, и ученые лишь фиксируют значение этого параметра в текущий момент $t=0$.
🧩 Космологический кубик Рубика и поиски новой физики 33:53
Отвечая на вопрос о том, не может ли Вселенная расширяться неравномерно (например, если бы мы жили внутри гигантского разреженного космического пузыря), Фридман заявила, что данные по тысячам сверхновых, распределенных по всему небу, исключают локальные флуктуации скорости расширения на процентном уровне.
Современная наука описывает космос через стандартную модель ($\Lambda$CDM), где обычное видимое вещество составляет всего 1/6 часть от общей массы материи, остальное приходится на невидимую темную материю, а порядка 2/3 всей энергии Вселенной составляет загадочная темная энергия, ускоряющая разлет галактик. За последние десять лет физики опубликовали около 1500 теоретических статей в попытках объяснить хаббловское напряжение за счет введения «новой физики» — например, гипотезы ранней темной энергии.
По словам гостьи, ни одна из этих моделей не прижилась, поскольку космология напоминает кубик Рубика: пытаясь теоретически «повернуть» одну грань ради исправления хаббловской аномалии, авторы неизбежно ломают сто других параметров Вселенной, которые уже надежно подтверждены практикой. Все громкие сенсации (как недавний намек Космологического телескопа в Атакаме на эволюцию темной энергии) при росте массива данных оказываются обычным статистическим шумом. В физике статус открытия присваивается лишь при достижении уровня значимости в 5 сигма (вероятность ошибки 1 на 1,7 миллиона), и хаббловское противоречие этому критерию не удовлетворяет. Для окончательной расстановки точек над «i» астрономы возлагают большие надежды на строящийся наземный телескоп имени Веры Рубин и будущий космический телескоп «Нэнси Грейс Роман».
🛰️ Вопросы от патреонов: навигация в расширяющемся космосе и бесконечность 39:04
В традиционном блоке вопросов от подписчиков с Patreon прозвучали фантастические и философские темы. Слушатели поинтересовались: как будущие экипажи межзвездных кораблей смогут находить дорогу домой, если галактики постоянно удаляются друг от друга? По прогнозам Фридман, в экстремально далеком будущем (примерно через 60 миллиардов лет) ускорение Вселенной сотрет другие галактики с небосвода, сделав подобные наблюдения невозможными.
Однако для обозримого будущего Нил Деграсс Тайсон предложил использовать исторический опыт создания морских хронометров для вычисления долготы, описанный в знаменитой книге Давы Собел «Долгота». Столкнувшись с тем, что механические часы на кораблях спешат или отстают от эталона, штурманы не разбирали механизм посреди океана, а высчитывали точную математическую формулу этой погрешности и делали поправку. Космическим путешественникам достаточно иметь при себе уравнение расширения Вселенной, чтобы по времени в пути математически рассчитать, где именно сейчас находится их «дом».
В финале дискуссии был затронут вопрос о том, изменится ли повседневная работа исследователей, если Вселенная окончательно окажется бесконечной или, наоборот, замкнутой. Венди Фридман подчеркнула, что её методология наблюдения за звездами останется прежней. Она добавила, что не имеет эмоциональных предпочтений в пользу того или иного устройства космоса, сохраняя лишь чистое и беспристрастное научное любопытство. Нил Деграсс Тайсон, напротив, признался в симпатии к концепции бесконечности, процитировав финальные титры шедевра Стэнли Кубрика «2001 год: Космическая одиссея» — «к Юпитеру и за пределы бесконечности».
