«Натяжение Хаббла» представляет собой разницу между наблюдаемой скоростью расширения Вселенной и ожидаемой скоростью расширения Вселенной. Космический телескоп Джеймса Уэбба улучшил предыдущие измерения, сделанные космическим телескопом Хаббл. Несмотря на прогресс, остаются вопросы о быстром расширении Вселенной и лежащих в его основе космических явлениях.

Комплексные наблюдения с помощью NIRCam НАСА (камера ближнего инфракрасного диапазона) и WFC3 Хаббла (широкоугольная камера 3) показывают, что спиральная галактика NGC 5584 находится на расстоянии 72 миллионов световых лет от Земли. Среди ярких звезд NGC 5584 есть пульсирующие звезды, называемые переменными цефеидами, и сверхновые типа Ia, особый тип взрывающихся звезд. Астрономы используют цефеиды и сверхновые типа Ia в качестве надежных маркеров расстояний для измерения скорости расширения Вселенной. Источник изображения: НАСА, ЕКА, ККА и А.Рисс (STScI).

Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и окончательной судьбы Вселенной. Однако существует постоянное несоответствие, известное как «напряжение Хаббла», между значением постоянной, измеренным с использованием различных независимых метрик расстояния, и значением, предсказанным по послесвечению Большого взрыва.

Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба предоставляет новые возможности для анализа и уточнения некоторых из наиболее убедительных наблюдательных свидетельств этой напряженности. Нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа описал недавнюю работу, проделанную им и его коллегами по использованию наблюдений Уэбба для повышения точности локальных измерений постоянной Хаббла.

Задача измерения Вселенной

Были ли у вас когда-нибудь проблемы с разглядением знака, находящегося на краю поля зрения? Что это говорит? Что это значит? Даже при использовании самых мощных телескопов «знаки», которые астрономы хотят увидеть, кажутся настолько маленькими, что нам приходится бороться.

Сигнатура, которую космологи хотят расшифровать, — это сигнатура предела космической скорости, которая говорит нам, насколько быстро расширяется Вселенная — число, называемое постоянной Хаббла. Наши созвездия вписаны в звезды далеких галактик. Яркость некоторых звезд в этих галактиках говорит нам, насколько далеко они от нас и, следовательно, сколько времени требуется, чтобы этот свет достиг нас, в то время как красное смещение галактики говорит нам, насколько расширилась Вселенная за это время, тем самым сообщая нам скорость расширения.

Эта диаграмма иллюстрирует совместную способность космических телескопов НАСА «Хаббл» и «Уэбб» определять точное расстояние до особого класса переменных звезд, используемых для калибровки скорости расширения Вселенной. Эти цефеиды появляются в многолюдном звездном поле. Световое загрязнение от окружающих звезд может сделать измерения яркости цефеид менее точными. Более острое инфракрасное зрение Уэбба позволяет более четко изолировать цель цефеиды от окружающих звезд, как показано справа. Данные Уэбба подтверждают точность 30-летних наблюдений Хаббла за цефеидами, которые сыграли решающую роль в установлении нижней ступени лестницы космических расстояний, измеряющей скорость расширения Вселенной. Слева NGC 5584 появляется на составном изображении, полученном камерой NIRCam Уэбба (камера ближнего инфракрасного диапазона) и широкоугольной камерой Хаббла 3. Источник изображения: НАСА, ЕКА, А.Рисс(STScI), В.Юань(STScI)

Особый класс звезд, переменные цефеиды, уже более столетия дает нам наиболее точные измерения расстояний, потому что эти звезды очень яркие: они являются сверхгигантами, в сто тысяч раз ярче Солнца. Более того, они пульсируют (т. е. расширяются и сжимаются в размерах) в течение нескольких недель, что указывает на их относительную яркость. Чем дольше период, тем они ярче по своей сути. Они являются золотым стандартом для измерения расстояний до галактик в 100 миллионов световых лет и выше, что является ключевым шагом в определении постоянной Хаббла. К сожалению, с нашей удаленной точки зрения звезды в галактиках сосредоточены в небольшом пространстве, поэтому нам часто не хватает разрешения, чтобы отделить их от их соседей по лучу зрения.

Вклад Хаббла и прогресс Уэбба

Одной из основных причин создания космического телескопа «Хаббл» было решение этой проблемы. До запуска Хаббла в 1990 году и последующих измерений цефеид скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что астрономы не были уверены, расширялась ли Вселенная в течение 10 или 20 миллиардов лет. Это связано с тем, что более высокая скорость расширения приведет к более молодой Вселенной, а более медленная скорость расширения приведет к более старой Вселенной. У «Хаббла» разрешение видимых длин волн лучше, чем у любого наземного телескопа, поскольку он находится над эффектом размытия земной атмосферы. Таким образом, он может идентифицировать отдельные цефеиды в галактиках на расстоянии более 100 миллионов световых лет и измерять временные интервалы, в течение которых они меняют яркость.

Однако нам также нужно посмотреть на цефеиды в ближней инфракрасной части спектра, чтобы увидеть свет, проходящий сквозь промежуточную пыль невредимым. (Пыль поглощает и рассеивает синий оптический свет, делая удаленные объекты тусклыми и заставляя нас думать, что они находятся дальше, чем на самом деле). К сожалению, зрение Хаббла в красном свете не такое четкое, как в синем, поэтому звездный свет, который мы видим от цефеид, смешивается со светом других звезд в поле зрения. Мы могли бы статистически интерпретировать среднюю смесь, подобно тому, как врач рассчитывает массу тела, вычитая средний вес одежды из показаний весов, но это добавило бы шума к измерениям. , потому что у некоторых людей одежда тяжелее, чем у других.

Однако острое инфракрасное зрение — одна из сверхспособностей космического телескопа Джеймса Уэбба. Благодаря своим большим зеркалам и чувствительной оптике он может легко отделять свет цефеид от соседних звезд с небольшим смешиванием. В первый год работы универсальной программы наблюдений Уэбба в 1685 году мы собрали наблюдения за цефеидами, открытыми Хабблом, в два этапа по так называемой лестнице космических расстояний. Первый шаг предполагает наблюдение цефеид в галактиках на известных геометрических расстояниях, что позволяет нам откалибровать истинную светимость цефеид. Для наших целей этой галактикой является NGC 4258. Вторым шагом будет наблюдение переменных цефеид в родительской галактике недавней сверхновой типа Ia. Комбинация первых двух шагов передает сверхновым знания о расстоянии для калибровки их истинной светимости. Третий шаг — наблюдение за далекими сверхновыми, где расширение Вселенной является значительным, что можно измерить, сравнивая расстояние, полученное на основе их яркости, с красным смещением галактики, в которой находится сверхновая. Эта серия ступенек называется лестницей расстояния.

Недавно мы получили первые измерения Уэбба на первом и втором этапах, что позволило нам завершить лестницу расстояний и сравнить с предыдущими измерениями Хаббла (см. Рисунок) благодаря разрешению обсерватории на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона. Это улучшение – то, о чем мечтают астрономы! На первых двух этапах мы наблюдали более 320 цефеид. Мы подтверждаем, что ранние измерения космического телескопа Хаббл были точными, хотя и с шумом. Вместе с Уэббом мы также наблюдали еще четыре хозяина сверхновых и увидели аналогичные результаты по всей выборке.

Сравнение зависимостей периода и светимости переменных цефеид для измерения расстояний. Красная точка — от «Уэбба» НАСА, а серая точка — от «Хаббла» НАСА. На верхней панели изображена NGC 5584, хозяйская сверхновая типа Ia, а на вставке показаны маркеры изображения одной и той же переменной цефеиды, видимой каждым телескопом. На нижней панели изображена NGC 4258, галактика с известным геометрическим расстоянием, а на вставке показана разница в модуле расстояния между NGC 5584 и NGC 4258, измеренная каждым телескопом. Согласование между двумя телескопами очень хорошее. Источник изображения: НАСА, ЕКА, А. Рисс (STScI) и Г. Ананд (STScI)

Тайна сохранения напряжения Хаббла

Результаты до сих пор не объясняют, почему Вселенная расширяется так быстро! Мы можем предсказать, насколько быстро расширяется Вселенная, взглянув на ее детское изображение (космический микроволновый фон), а затем используя лучшие модели того, как Вселенная росла с течением времени, чтобы сказать нам, насколько быстро Вселенная должна расширяться сегодня. Тот факт, что текущие измерения скорости расширения значительно превосходят прогнозы, является десятилетней проблемой, известной как «напряжение Хаббла». Самая захватывающая возможность заключается в том, что напряжение — это один из недостающих ключей к нашему пониманию Вселенной.

Это может указывать на существование экзотической темной энергии, экзотической темной материи, пересмотра нашего понимания гравитации или существования уникальных частиц или полей. Более распространенное объяснение состоит в том, что несколько ошибок измерений произошли в одном направлении (астрономы исключают отдельные ошибки, используя независимые шаги), поэтому так важно повторить измерения с более высокой точностью. Благодаря подтверждению Уэббом измерений Хаббла, измерения Уэбба представляют собой убедительное доказательство того, что систематические ошибки в фотометрии цефеид Хаббла не играют существенной роли в нынешнем напряжении Хаббла. В результате остаются более интересные возможности, а тайна напряжения углубляется.

В этой статье представлены данные из статьи, принятой The Astrophysical Journal.