В новом выпуске программы StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон (Neil deGrasse Tyson) и его коллега, космолог Венди Фридман (Wendy Freedman), обсуждают последние открытия в изучении расширения Вселенной. В центре внимания — данные с телескопа James Webb Space Telescope, которые ставят под сомнение существующие модели формирования первых галактик, и история измерения постоянной Хаббла, определившей наше понимание возраста космоса.
🔭 Постоянная Хаббла: как измерить скорость Вселенной 1:47
Постоянная Хаббла ($H_0$) — это ключевой параметр в космологии, определяющий скорость расширения Вселенной на текущий момент . Как объясняет Венди Фридман, это число дает нам представление не только о масштабах космоса, но и о его возрасте.
История этого открытия началась в 1920-х годах:
- Эдвин Хаббл обнаружил, что туманности, которые ранее считались частью Млечного Пути, на самом деле являются отдельными галактиками .
- Ученый установил, что Вселенная не статична, а пространство между галактиками постоянно расширяется .
- Во Вселенной насчитывается около 100 миллиардов галактик, и почти все они удаляются от нас .
Нил Деграсс Тайсон отмечает терминологическую путаницу: почему «постоянная» называется так, если скорость расширения менялась в прошлом и изменится в будущем? Венди Фридман уточняет, что это значение является постоянным только для нашей текущей эпохи («в наше время») . В прошлом Вселенная расширялась с другой скоростью, а сейчас этот процесс ускоряется из-за влияния темной энергии .
🛰 Роль телескопа Хаббл и «проблема двойки» 4:02
До запуска космического телескопа «Хаббл» в астрономии существовал огромный разброс данных. Ученые не могли договориться о значении постоянной Хаббла, и оценки различались в два раза — от 50 до 100 км/с на мегапарсек . Это означало, что мы не знали ни точного возраста Вселенной, ни её размеров.
Венди Фридман руководила ключевым проектом (Key Project), целью которого было устранение этой неопределенности :
- Для измерений использовались цефеиды — пульсирующие переменные звезды, которые служат «стандартными свечами» для определения космических расстояний .
- Команда Фридман использовала зеркало телескопа «Хаббл», чтобы найти цефеиды в скоплении Девы (Virgo cluster) .
- Результатом работы стало значение 72 км/с/Мпк с точностью до 10% .
- Современные измерения, основанные на данных о цефеидах, дают близкие значения — около 73–74 км/с/Мпк .
⚡️ Ускорение расширения и «величайшая ошибка» Эйнштейна 6:17
Одним из самых поразительных открытий конца XX века стало то, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. По словам Венди Фридман, до конца 1990-х годов ученые ожидали, что гравитация постепенно замедлит расширение .
Однако наблюдения за далекими сверхновыми показали обратное. Этот феномен связан с понятием космологической константы, которую Альберт Эйнштейн изначально ввел в свои уравнения, чтобы сделать модель Вселенной статической . Когда Хаббл доказал расширение, Эйнштейн назвал эту правку своей «величайшей ошибкой» . Как иронично замечает Нил Деграсс Тайсон, даже ошибки Эйнштейна (возвращение космологической константы в виде темной энергии) в итоге приводят к Нобелевским премиям для других ученых .
🌌 Сверхсветовое расширение и горизонт событий 8:55
На вопрос о том, как Вселенная может расширяться быстрее скорости света, Венди Фридман отвечает, что это не нарушает теорию относительности. Эйнштейн запретил передачу информации быстрее света, но для расширения самого пространства ограничений не существует .
Это приводит к печальным последствиям для будущих астрономов:
- Части Вселенной уходят за наш горизонт, и свет от них никогда не достигнет Земли .
- Через десятки миллиардов лет большинство галактик станут недоступны для наблюдения .
- В конечном итоге жители нашей Галактики увидят лишь пустое небо, так как все остальные объекты уйдут за горизонт видимости .
Тем не менее, объекты в «местной группе» (например, галактика Андромеды) останутся с нами, так как они гравитационно связаны с Млечным Путем . Фридман прогнозирует столкновение и слияние Млечного Пути с Андромедой через миллиарды лет, что является естественным процессом эволюции галактик .
🔭 Загадки James Webb Space Telescope: «невозможные» галактики 14:38
Одной из главных задач James Webb Space Telescope является изучение так называемых «Темных веков» — периода между 380 000 лет после Большого взрыва и моментом формирования первых звезд .
Венди Фридман отмечает, что данные James Webb Space Telescope вызвали настоящий переполох:
- Обнаружены очень массивные галактики, которые, согласно текущим теориям, просто не успели бы сформироваться так быстро после Большого взрыва .
- В прессе появились заголовки о том, что «Большой взрыв мертв» или «стандартная модель сломана» .
Однако Фридман призывает к осторожности в интерпретациях. По её мнению, прежде чем пересматривать основы космологии, нужно изучить свойства первых звезд, наличие пыли в ранней Вселенной и скорость звездообразования . Несоответствие данных теории — это не повод для паники, а «захватывающий момент» для науки .
🧩 Темная материя и точность измерений 22:19
Современная стандартная модель предполагает, что около 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, природа которых остается неизвестной . Венди Фридман подчеркивает, что это один из главных вызовов для физики.
За годы исследований точность измерения расширения Вселенной значительно выросла:
- В начале карьеры Фридман неопределенность составляла 100% (фактор двойки) .
- Затем точность довели до 10%, сейчас она составляет около 5% .
- Некоторые группы исследователей заявляют о точности в 1% .
Основная сложность заключается в калибровке: звезды — это сложные объекты с пылью в атмосферах, и чем дальше они находятся, тем сложнее отделить их свет от фона других звезд (проблема скученности) .
⏳ Возраст Вселенной и Большой разрыв 28:31
Текущая оценка возраста Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет . По словам Венди Фридман, мы живем в уникальный момент — точку перегиба, когда темная энергия начинает доминировать над материей .
Что касается будущего, обсуждается гипотеза «Большого разрыва» (Big Rip), согласно которой ускоряющееся расширение в конечном итоге разорвет атомы. Однако Фридман утверждает:
- На данный момент нет никаких доказательств в пользу неизбежности Большого разрыва .
- Экстраполяция данных в столь далекое будущее рискованна, так как мы не понимаем физику темной энергии .
- Ученая предпочитает фокусироваться на задачах, которые можно решить экспериментально, а не на столь отдаленных спекулятивных угрозах .
В завершение дискуссии участники обсудили относительность времени. Космологическое время рассчитывается на основе среднего расширения Вселенной . Хотя вблизи черных дыр время течет иначе из-за сильной гравитации (как показано в фильме «Интерстеллар»), для измерения возраста Вселенной астрономы используют области с «нормальной» плотностью, чтобы избежать локальных искажений .
