Международная коллаборация доказала, что напряжение Хаббла не связано с ошибками измерений и требует новой физики

Международная коллаборация H0DN представила самое точное на сегодняшний день измерение скорости расширения Вселенной, и полученные результаты подтверждают существование серьезной проблемы в современной космологии. Исследователи заново пересмотрели маркеры, используемые для измерения космического расширения, создав новую систему, которая определяет скорость расширения локальной Вселенной как 73,5 километра в секунду на мегапарсек с достоверностью 7 сигма. Проблема заключается в том, что независимые измерения ранней Вселенной по-прежнему дают значение 67,24 километра в секунду на мегапарсек, и новые усилия нисколько не приблизили ученых к разрешению этого расхождения, известного как напряжение Хаббла.

Наша Вселенная возникла около 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор постоянно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла (H0), и это одно из фундаментальных измерений, используемых для понимания космоса. Постоянная Хаббла помогает рассчитать возраст и размер Вселенной, понять влияние таинственной темной энергии, которая управляет расширением, и является одной из величин, необходимых для вычисления межгалактических расстояний. Астрономы располагают несколькими очень точными инструментами для определения H0, и именно здесь начинаются проблемы. Все инструменты для измерения H0 в локальной, недавней Вселенной дают согласованные результаты — около 72–74 километров в секунду на мегапарсек, тогда как инструменты для измерения в далекой, ранней Вселенной также дают согласованные результаты, но уже около 67–68 километров в секунду на мегапарсек. Однако эти две эпохи невозможно согласовать друг с другом, что предполагает наличие некоего важного упущения. Это несоответствие и называется напряжением Хаббла.

Коллаборация H0DN подошла к решению проблемы, сосредоточившись на локальной Вселенной. Для измерения H0 в ближнем космосе астрономы полагаются на так называемую космическую лестницу расстояний, где каждая ступень представляет собой различную измерительную технику. Первая ступень — это параллакс, кажущееся смещение положения далеких объектов при наблюдении с разных точек обзора. Когда Земля движется вокруг Солнца, параллакс звезд показывает, как далеко они находятся. Вторая ступень — это звезды с известной светимостью, такие как цефеиды. Третья ступень — сверхновые типа Ia, которые имеют известный пик яркости. Одно из возможных объяснений напряжения Хаббла заключается в том, что могла быть ошибка в расчетах на одной из ступеней лестницы расстояний, которая затем повлияла на окончательное измерение.

Чтобы решить эту проблему, коллаборация построила не лестницу, а сеть расстояний, основанную на множестве перекрывающихся методов измерения. Эти методы включают цефеиды, звезды на вершине ветви красных гигантов, переменные типа Миры, мегамазеры, сверхновые типа Ia и II, флуктуации поверхностной яркости, соотношение Талли-Фишера и фундаментальную плоскость. Все эти методы дают точные измерения для близлежащих звезд и галактик, причем некоторые из них пересекаются друг с другом. Объединенная локальная сеть расстояний показывает, что локальная постоянная Хаббла составляет 73,5 километра в секунду на мегапарсек. Самое важное, что исследователи тщательно проверили свои результаты на прочность. Они поочередно удаляли несколько методов и телескопов, чтобы увидеть, изменит ли удаление какого-либо из них результат, что указывало бы на недостаток в этом методе. Они также пробовали использовать различные наборы данных и менять допущения, на которых основывался их анализ. Результат почти не изменился. Это самое строгое исследование H0 на локальном уровне на сегодняшний день, и оно выдержало все испытания, которым его подвергла коллаборация H0DN.

Однако измерения H0 в далекой Вселенной также являются надежными и стабильно колеблются около отметки 67 километров в секунду на мегапарсек. В последние годы некоторые усилия были сосредоточены на опровержении напряжения Хаббла на том основании, что наши измерения могут быть ошибочными. Как правило, если у нас есть два варианта — человеческая ошибка и неизвестная физика, виновником обычно оказывается первое, так что это не было необоснованным ожиданием. Тем не менее, это новое исследование убедительно показывает, что проблема действительно реальна и, возможно, потребует новой физики для ее разрешения. Исследователи сделали код своей локальной сети расстояний свободно доступным на GitHub, чтобы другие могли попытаться воспроизвести результаты. Коллаборация H0DN пишет, что улучшенная точность H0 теперь выявляет более широкое несоответствие в рамках стандартной космологической модели и укрепляет случай в пользу новой физики или более глубокого пересмотра выводов о ранней Вселенной. Эволюционирующая роль H0 уже изменила понимание прецизионной космологии, и впереди могут ждать дальнейшие сюрпризы.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.