Нові точні вимірювання відстані, виконані за допомогою міжнародної мережі радіотелескопів, значно збільшили ймовірність того, що теоретикам потрібно переглянути стандартну модель, яка описує фундаментальну природу Всесвіту.
Нові вимірювання відстані дали змогу астрономам уточнити значення сталої Габбла, що характеризує швидкість розширення Всесвіту. Встановлення точного значення цієї сталої є важливим з огляду на перевірку теоретичної моделі, що описує склад та еволюцію Всесвіту. Проблема полягає в тому, що нові вимірювання посилюють розбіжність між раніше виміряними значеннями сталої Габбла і значенням, визначеним на підставі реєстрації космічного мікрохвильового фону космічним зондом «Планк». Це значення збігається з тим, що передбачає стандартна модель.
«Ми знайшли, що галактики лежать ближче, ніж передбачено стандартною моделлю космології, і підтверджуємо проблему, виявлену внаслідок застосування інших способів вимірювань відстані. Тривають дискусії щодо того, чи полягає ця проблема в самій моделі або у вимірюваннях, які науковці використовують для її тестування. У нашій роботі використана методика вимірювання відстані, повністю незалежна від усіх інших, і ми отримали докази невідповідності між виміряними та прогнозованими значеннями. Цілком імовірно, що проблема полягає в базовій космологічній моделі, на підставі якої роблять прогнози», — сказав Джеймс Браатц (James Braatz) з Національної радіоастрономічної обсерваторії (National Radio Astronomy Observatory, NRAO).
Браатц очолює проєкт мегамазерної космології (Megamaser Cosmology Project) — міжнародну програму з вимірювання сталої Габбла шляхом пошуку галактик із специфічними властивостями, що дає змогу визначати відстані з високою точністю методом паралаксу (на підставі кутових і лінійних розмірів мазера — Ред.). Науковці використовували Антенний масив дуже великої бази (Very Long Baseline Array, VLBA) Національного наукового фонду, Дуже великий масив Карла Г. Янського (Karl G. Jansky Very Large Array, VLA) і телескоп Роберта Б. Берда в Ґрін-Банку (Robert C. Byrd Green Bank Telescope, GBT), а також Еффельсберзький радіотелескоп в Німеччині. Дослідники повідомили про свої останні результати в Astrophysical Journal Letters.
Едвін Габбл, на честь якого названо орбітальний космічний телескоп, вперше обчислив швидкість розширення Всесвіту (стала Габбла) у 1929 році, вимірявши відстані до галактик та швидкості їхнього руху. Що далі лежить галактика, то більша її швидкість віддалення від Землі. Дотепер стала Габбла є фундаментальною характеристикою спостережної космології та предметом багатьох сучасних досліджень.
Вимірювання швидкості руху галактик порівняно просте. Визначення космічних відстаней, однак, було важким завданням для астрономів. Для об’єктів у нашій галактиці Молочний Шлях астрономи можуть отримувати відстані, вимірюючи видимий зсув положення об’єкта на небесній сфері при спостереженні з протилежних сторін орбіти Землі навколо Сонця. Цей ефект називають паралакс. Перше вимірювання відстані до зорі методом паралаксу відбулося в 1838 році.
Поза Галактикою паралакс є занадто малим для вимірювання, тому астрономи покладаються на об’єкти, які називають «стандартні свічки». Вони отримали таку назву, бо їхня світність вважається відомою. Відстань до об’єкта з відомою світністю можна обчислити, виходячи з того, як тьмяно об’єкт видно на небі Землі, тобто якою є його видима зоряна величина. До стандартних свічок належать змінні зорі цефеїди та зорі, що вибухають, які називають надновими типу Іа.
Інший метод оцінки швидкості розширення спирається на спостереження за віддаленими квазарами, світло яких заломлює галактика (скупчення галактик) переднього плану внаслідок ефекту гравітаційного лінзування. Внаслідок цього виникає кілька зображень віддаленого об’єкта. Коли блиск квазар змінюється, то зміни з’являються на різних зображеннях у різний час. Вимірювання цієї різниці в часі, поряд з розрахунками геометрії заломлення променів світла, дає оцінку швидкості розширення.
Визначення сталої Габбла на основі стандартних свічок та гравітаційного лінзування квазарів дало значення 73—74 кілометри в секунду (швидкість) на мегапарсек (відстань в одиницях, які використовують в астрономії).
Однак прогнози сталої Габбла від стандартної космологічної моделі, застосовані до вимірювань cosmic microwave background (CMB) — залишкового випромінювання, що виникло невдовзі після Великого Вибуху — дають значення 67,4. Це велика й тривожна різниця. Ця різниця в значеннях сталої Габбла, що виходить за межі помилок у спостереженнях, як запевняють астрономи, має серйозне значення для стандартної моделі.
Модель лямбда-холодної темної матерії (Lambda Cold Dark Matter, або Lambda CDM), де «лямбда» — це космологічна стала Айнштайна, яка характеризує темну енергію. Модель розділяє склад Всесвіту головно між звичайною речовиною, темною матерією та темною енергією і описує, як Всесвіт розвивався після Великого Вибуху.
Проєкт мегамазерної космології зосереджений на галактиках з дисками водомісткого молекулярного газу, що обертаються навколо надмасивних чорних дір у центрах галактик. Якщо орбітальний диск видно із Землі, для визначення лінійного, тобто фізичного розміру диска та його кутових розмірів (видимі розміри на небесній сфері — Ред.) можна використовувати яскраві плями радіовипромінювання, які називають мазерами — радіоаналогами лазерів видимим світлом. Знаючи лінійні та кутові розміри мазера, можна визначити відстань до нього на підставі геометрії. Науковці проекту використовують глобальну мережу радіотелескопів, потрібну для точних вимірювань цим методом.
Уявлення художника про диск з водомістким газом, який обертається навколо надмасивної чорної діри в центрі далекої галактики. Спостерігаючи випромінювання мазера з таких дисків, астрономи можуть використовувати геометрію для вимірювання відстані до галактик, що є основним параметром для обчислення сталої Габбла. Фото з сайту https://public.nrao.edu.
У своїй останній роботі науковці уточнили раніше виконані вимірювання відстані до чотирьох галактик, на відстані від 168 до 431 мільйона світлових років. У поєднанні з попередніми вимірюваннями відстані двох інших галактик їх розрахунки дали значення для сталої Габбла 73,9 кілометрів на секунду на мегапарсек.
«Тестування стандартної моделі космології — це справді складна проблема, яка вимагає найкращих вимірювань сталої Габбла. Невідповідність між її прогнозованими та виміряними значеннями вказує на одну з найфундаментальніших проблем фізики, тому ми хотіли б мати кілька незалежних вимірювань, які підтверджують проблему та перевіряють модель. Наш метод є геометричним і повністю незалежним від усіх інших, і це підсилює розбіжність», — сказав Дом Песке (Dom Pesce), дослідник з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики і головний автор статті в Astrophysical Journal Letters.
«Мазерний метод вимірювання швидкості розширення Всесвіту є елегантним і, на відміну від інших, заснований на геометрії. Виміряючи надзвичайно точні положення та динаміку мазерних плям в диску речовини, що оточує віддалену чорну діру, ми можемо визначити відстань до галактик, а далі швидкість розширення. Наш результат, заснований на цій унікальній методиці, посилює питання з фундаментальною проблемою спостережної космології», — сказав Марк Рейд (Mark Reid) з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, учасник «команди» проєкту мегамазерної космології.
«Наше вимірювання значення сталої Габбла дуже близьке до інших останніх вимірювань і статистично дуже відрізняється від прогнозів, заснованих на CMB та стандартній космологічній моделі. Все свідчить про те, що стандартна модель потребує доопрацювання», — сказав Браатц.
Астрономи мають різні способи коригування моделі для усунення невідповідності. Деякі з них передбачають зміни припущень щодо природи темної енергії, відмови від космологічної сталої Айнштайна. Інші розглядають фундаментальні зміни у фізиці частинок, такі як зміна кількості та типів нейтрино або невідомі взаємодій між ними. Є й інші можливості, навіть екзотичніші, але нині науковці не мають чітких доказів відмінності між ними.
«Це класичний випадок взаємодії спостережень і теорії. Модель Lambda CDM була доволі задовільною протягом багатьох років, але зараз спостереження чітко вказують на проблему, яку потрібно вирішити, і, здається, проблема полягає в моделі», — сказав Песке.
За інф. з сайту https://public.nrao.edu підготував Іван Крячко
