Космология столкнулась с углублением серьезного научного противоречия, известного как «напряжение Хаббла» — два наиболее точных метода измерения скорости расширения Вселенной дают непримиримо разные результаты. В то время как новые данные космического телескопа Gaia укрепили позиции сторонников более высокой скорости расширения, альтернативные методы указывают на правоту противоположной стороны. Рассматривая этот парадокс, ведущий научно-популярного канала PBS Space Time разбирает, почему нестыковки в расчетах могут привести к пересмотру фундаментальных законов физики.
🌌 Суть космологического кризиса: две несовпадающие реальности 0:00
Самое захватывающее для любого ученого — это момент, когда знание, казавшееся незыблемым, оказывается ошибочным. Именно поэтому космологическое сообщество взбудоражено феноменом, который называют «напряжением Хаббла» или кризисом в космологии. Суть проблемы заключается в том, что два чрезвычайно точных и независимых метода измерения скорости расширения Вселенной противоречат друг другу. Еще два года назад исследователи ожидали, что новые, более точные измерения сгладят эти различия, однако ситуация лишь обострилась. Recent данные европейской космической миссии Gaia сделали это противоречие еще более явным.
Для понимания сути проблемы ведущий канала PBS Space Time предлагает вспомнить базовые принципы астрофизики. Пространство на самых больших масштабах растягивается, удаляя галактики друг от друга. Когда свет от далекой галактики летит к Земле через расширяющуюся Вселенную, его длина волны увеличивается — этот эффект называется космологическим красным смещением. Если астрономам известны величина красного смещения и точное расстояние до галактики, они могут рассчитать скорость расширения пространства вдоль пути следования света. Объединив данные множества галактик, можно получить значение постоянной Хаббла ($H_0$), названной в честь Эдвина Хаббла, который первым измерил её в 1929 году.
🪜 Космическая лестница расстояний
Измерить красное смещение относительно просто, а вот определить точное расстояние до далеких галактик — задача куда более сложная. Астрономы вынуждены полагаться на так называемую «космическую лестницу расстояний», состоящую из нескольких последовательных этапов:
- Сначала измеряется расстояние до объектов внутри Солнечной системы;
- Полученные данные используются для расчета расстояний до ближайших звезд;
- Затем вычисляются дистанции до более удаленных звезд и соседних галактик;
- На вершине лестницы находятся самые далекие галактики.
Если хотя бы одна ступень этой лестницы содержит ошибку, то все последующие расчеты автоматически оказываются неверными.
Метод Хаббла опирался на технологию, которую разработала астроном Генриетта Суон Ливитт, открывшая первый тип «стандартных свечей». Это космические объекты, чья истинная светимость (абсолютная яркость) заранее известна. Зная истинную светимость объекта и наблюдая, насколько тусклым он кажется с Земли, можно вычислить точное расстояние до него.
Ливитт обнаружила, что у пульсирующих звезд, известных как цефеиды, период пульсации напрямую зависит от их светимости. Достаточно измерить частоту пульсации цефеиды, чтобы узнать её реальную яркость, а значит, и расстояние до нее.
🚀 Сверхновые звезды и открытие темной энергии 3:17
Хотя цефеиды служат отличными стандартными свечами, они остаются всего лишь звездами, и на определенном расстоянии их становится невозможно разглядеть. В 1990-х годах две независимые команды астрономов применили новый тип стандартных свечей — невероятно яркие сверхновые типа Ia. Они вспыхивают, когда белый карлик взрывается, поглотив критическую массу вещества своего компаньона по бинарной системе.
Используя эти сверхновые для определения расстояний до галактик на полпути через наблюдаемую Вселенную, ученые обнаружили неожиданный факт: Вселенная не просто расширяется, это расширение происходит с ускорением. На основе этого открытия было постулировано существование темной энергии — загадочной силы, которая заполняет все пространство и заставляет Вселенную расширяться все быстрее.
После открытия ускоренного расширения Вселенной перед наукой встала задача максимально уточнить значение постоянной Хаббла. Астрономы разделились на два лагеря, выбрав разные подходы:
- Первая группа исследователей решила развивать метод стандартных свечей, занимаясь поиском новых сверхновых типа Ia и уточнением ступеней космической лестницы расстояний.
- Вторая группа пошла принципиально иным путем, решив найти полностью независимый способ измерения, не связанный с лестницей расстояний. Основным недостатком метода сверхновых критики считают то, что он находится на слишком высокой ступени лестницы: поломка любого нижнего уровня разрушает весь расчет.
📡 Противостояние: Planck против Адама Рисса 4:49
Альтернативным методом стало изучение космического сверхвысокочастотного фонового излучения (реликтового излучения, или CMB). Этот свет, зафиксированный космическим телескопом Planck, выделился всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва и несет в себе информацию о раннем состоянии Вселенной. Основываясь на этой карте, команда Planck рассчитала значение постоянной Хаббла, которое составило 67,6 километра в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк) с заявленной погрешностью всего около 0,5%. Это измерение считается самым точным в истории космологии.
В то же время Адам Рисс, один из нобелевских лауреатов, открывших темную энергию, возглавил команду, которая усовершенствовала метод сверхновых. Несколько лет назад его группа опубликовала свое значение постоянной Хаббла: 73,5 ± 1.5 км/с/Мпк. Эти цифры находятся в одном порядке величин, однако разрыв между ними достаточно велик, чтобы вызвать серьезные вопросы у физиков.
По словам ведущего, одним из возможных объяснений такого расхождения является гипотеза о том, что природа темной энергии изменилась с течением времени. Расчеты команды Planck строятся на предположении, что плотность темной энергии оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной, что соответствует простейшим космологическим моделям. Если же плотность темной энергии динамически менялась, это не только объяснило бы разницу в цифрах, но и указало бы на то, что это явление устроено гораздо сложнее, чем принято считать.
Тем не менее, как отмечает автор видео, большинство ученых склоняются к более прозаичной версии: в одном или обоих методах кроются неизвестные систематические ошибки. Например, могла быть повреждена «ступень» лестницы расстояний, на которой сверхновые типа Ia калибруются по цефеидам. Те, в свою очередь, калибруются по цефеидам внутри нашей галактики, расстояние до которых определяется методом звездного параллакса.
🛰️ Миссия Gaia: калибровка космической лестницы 7:12
Принцип параллакса знаком каждому: если вытянуть палец перед собой и поочередно закрывать левый и правый глаз, палец будет смещаться относительно заднего плана. Чем ближе палец, тем сильнее смещение. Астрономы используют этот же эффект для измерения расстояний до звезд: по мере того как Земля вращается вокруг Солнца в течение года, близкие звезды смещаются относительно далеких светил.
Исторически отсутствие видимого звездного параллакса до изобретения телескопа считалось доказательством того, что Земля неподвижна. На самом деле звезды находятся так далеко, что параллакс невозможно заметить без мощной оптики. Только в 1912 году Генриетта Суон Ливитт использовала параллакс для калибровки цефеид в Млечном Пути.
Ситуация с точностью измерений улучшилась, когда телескопы вывели на орбиту, выше размывающего эффекта земной атмосферы. Огромный вклад внесли космический телескоп Hubble и спутник Hipparcos Европейского космического агентства (ESA), отследивший движение 100 тысяч звезд в нашей галактической окрестности. Однако для окончательной проверки нижней ступени лестницы расстояний требовалось измерить параллакс гораздо большего числа цефеид на огромных дистанциях.
Эту задачу выполнила космическая миссия Gaia. Находясь на орбите за Луной, Gaia год за годом сканирует небо, фиксируя структуру и движение значительной части Млечного Пути. Телескоп создал самый точный на сегодняшний день каталог измерений звездного параллакса, который оказался в 200 раз точнее любых предыдущих аналогов.
Благодаря Gaia ученые заново откалибровали цефеиды как стандартные свечи, что позволило точнее пересчитать расстояния до сверхновых типа Ia. В итоге команда Адама Рисса получила обновленное значение постоянной Хаббла.
Как сообщает ведущий, новые расчеты не привели лагери ученых к согласию. Напротив, значение постоянной Хаббла, полученное на основе данных Gaia, составило 73,2 км/с/Мпк. Это с еще большей уверенностью подтвердило правоту сторонников метода сверхновых и показало, что лестница расстояний построена надежно.
⚖️ Независимые арбитры: барионные осцилляции и гравитационные линзы 10:01
Поскольку двух методов недостаточно для разрешения спора, астрофизики возлагают надежды на альтернативные способы измерений, способные выступить в роли независимых арбитров.
🪐 Барионные акустические осцилляции (BAO)
Первый метод заключается в поиске гигантских кольцеобразных структур, образуемых галактиками во Вселенной. Эти структуры используются как «стандартные линейки». Они представляют собой реликтовые следы древних звуковых волн, которые распространялись в горячей и плотной плазме ранней Вселенной. Когда Вселенная остыла, эти колебания «застыли» в распределении материи, из которой позже сформировались галактики. По словам автора, данные барионных акустических осцилляций сейчас склоняют чашу весов в сторону результатов телескопа Planck, указывая на значение постоянной Хаббла в районе 67–69 км/с/Мпк.
🌌 Гравитационное линзирование
Вторым многообещающим методом является космография по задержке времени гравитационных линз. Этот эффект возникает, когда далекий квазар (активное ядро галактики с массивной черной дырой) оказывается на одной линии видимости позади более близкой к нам галактики. Массивная галактика искривляет пространство-время, заставляя свет квазара идти к Земле несколькими разными путями, из-за чего наблюдатель видит несколько дублирующих изображений одного и того же объекта.
Квазары нестабильны, их яркость постоянно колеблется по мере поглощения газа черной дырой. Из-за того, что пути света через гравитационную линзу имеют разную длину, изображения квазара мерцают несинхронно. Измеряя временную задержку между этим мерцанием, физики могут вычислить космические расстояния напрямую, минуя лестницу расстояний. Пока этот метод применен лишь к небольшому числу линз, поэтому погрешность велика, но текущие результаты дают значение постоянной Хаббла в районе 71–73 км/с/Мпк, что ближе к позициям сторонников сверхновых. Предстоящие масштабные обзоры неба должны открыть тысячи новых линз и значительно повысить точность этого метода.
⚡ Гравитационные волны («стандартные сирены»)
В обозримом будущем ученые надеются использовать гравитационные волны от слияния черных дыр. Подобно свету, эти волны растягиваются расширяющейся Вселенной, но, в отличие от электромагнитного излучения, они изначально содержат в себе зашифрованную информацию о пройденном расстоянии. Такие события физики называют «стандартными сиренами». Пока их погрешность слишком велика, но со временем она будет уменьшаться.
Как заключает ведущий, в астрофизическом понимании устройства Вселенной явно обнаружилась брешь. Идет ли речь об ошибке на каком-то этапе построения космической лестницы расстояний или о фундаментально новых силах, управляющих расширением пространства-времени, ученые рады этой неопределенности. Поиск причин этой ошибки неизбежно приведет науку к более глубокому пониманию законов природы.
🙋♂️ Ответы на вопросы зрителей 13:29
Во второй части программы ведущий традиционно разобрал комментарии к прошлым выпускам, посвященным гравитации, свету и течению времени.
Движение во времени со скоростью света
Пользователь с ником Time bucks поинтересовался, почему принято считать, будто все массивные объекты движутся в пространстве-времени в измерении времени со скоростью света.
Ведущий объяснил, что это утверждение является одним из способов интерпретации математического аппарата специальной теории относительности. В ней существует понятие пространственно-временного интервала ($s^2$), описывающего разделение между двумя событиями. Формула интервала выглядит следующим образом:
$$s^2 = -(x^2 + y^2 + z^2) + c^2 t^2$$
Где $c$ — скорость света, необходимая для того, чтобы придать времени ту же размерность, что и у пространства. Четырехмерная скорость объекта (4-велосити) определяется как изменение пространственно-временного интервала, деленное на изменение времени. Если объект абсолютно неподвижен в трехмерном пространстве, то пространственные интервалы ($x, y, z$) равны нулю. В таком случае его четырехмерная скорость сводится к формуле:
$$v_4 = \frac{c \cdot \Delta t}{\Delta t} = c$$
Математически неподвижный объект перемещается по оси времени ровно со скоростью света. Однако физический смысл этого феномена остается предметом дискуссий, поскольку наука до сих пор не имеет исчерпывающего определения того, чем являются пространство и время на фундаментальном уровне. За более детальным математическим разбором ведущий порекомендовал обратиться к каналу физика Сабины Хоссенфельдер.
Принцип Гюйгенса и Ричард Фейнман
Зритель John Smith заметил, что принцип Гюйгенса напоминает знаменитый двухщелевой эксперимент, но с бесконечным количеством щелей.
Ведущий подтвердил эту аналогию, пересказав известную академическую байку о молодом Ричарде Фейнмане. Будучи студентом, Фейнман слушал лекцию о двухщелевом эксперименте, где профессор объяснял интерференцию путем сложения круговых волн, исходящих из двух щелей. Студент спросил, что будет, если щелей станет три, а затем четыре и пять. Когда вопросы дошли до бесконечного числа щелей, оказалось, что молодой ученый самостоятельно переоткрыл принцип Гюйгенса — Френеля, сформулированный на пару веков раньше.
Другие комментаторы (Tom Carrowish и Clear night sky) также провели параллель между принципом Гюйгенса и фейнмановским интегралом по траекториям в квантовой механике. Этот интеграл вычисляет траекторию квантовой частицы путем суммирования всех возможных (и даже физически невозможных) путей между двумя точками, где маловероятные маршруты взаимно уничтожаются, оставляя лишь истинную траекторию. На создание этого метода Фейнмана действительно вдохновил принцип Гюйгенса — Френеля, а также классический физический принцип наименьшего действия.
Оптические иллюзии «Звёздных войн»
В завершение выпуска ведущий с юмором прокомментировал замечание зрителей о том, что искривление света гравитацией могло бы объяснить, почему имперские штурмовики из киносаги «Звёздные войны» так плохо стреляют. Штурмовикам приходится воевать в самых разных гравитационных условиях: на Звездных разрушителях, Звезде Смерти, ледяных планетах и лесистых спутниках, что требует постоянной перекалибровки прицелов.
Эта концепция, по мнению ведущего, также проливает свет на давний спор фанатов о том, кто выстрелил первым в знаменитой сцене с Ханом Соло и Гридо. Если предположить, что за сценой наблюдали с борта Звездного разрушителя, пролетавшего мимо в гиперпространстве, то из-за его суперлюминального (сверхсветового) движения кажущийся причинно-следственный порядок событий изменился бы на противоположный. Таким образом, с точки зрения теории относительности, правы обе стороны.
