Результати дослідження космічного телескопа "Габбл", проведеного 2018 року, підтвердили наболілу невідповідність постійної Габбла. Зараз Всесвіт розширюється швидше, ніж очікувалося. Невідповідність стосується і траєкторії, отриманої незабаром після Великого вибуху.
Тоді дослідники натякнули, що може існувати нова фізика для пояснення невідповідності, відомої як "напруга Габбла".
"Спільнота справді намагається зрозуміти сенс цієї невідповідності", - говорив провідний дослідник і Нобелівський лауреат Адам Рісс із Наукового інституту космічного телескопа (STScI) та Університету Джона Гопкінса.
Один із методів вимірювання сталої Габбла заснований на визначенні відстаней і швидкостей рецесії прилеглих галактик у локальному Всесвіті. Так робив сам Едвін Габбл майже століття тому.
Цей метод вимагає точного калібрування яскравості, кольору і відстаней пульсуючих змінних зірок Цефеїд у Чумацькому Шляху і Великій Магеллановій Хмарі (перша сходинка космологічних сходів відстаней).
Періоди пульсацій Цефеїд сильно корелюють з їхньою власною світністю, тому вони служать стандартними свічками для вимірювання відстаней до віддаленіших галактик (другий щабель).
Потім гіганти використовуються для калібрування яскравості яскравіших наднових типу Ia, які утворюються під час вибухів білих карликових зірок у бінарних зоряних системах і слугують стандартними свічками для вимірювання відстаней до ще віддаленіших галактик (третя сходинка).
Другий метод вимірювання сталої Габбла ґрунтується на результатах спостережень супутника Планка за реліктовим післясвіченням Великого вибуху, яке виникло 13,8 мільярдів років тому.
Вимірювання Планка в поєднанні зі стандартними моделями космології, включно з темною енергією і темною матерією, пророкують, що його поточне значення в локальному Всесвіті повинне бути нижчим, ніж безпосередньо виміряне за Цефеїдами і надновими типу Ia.
Літнього ранку 2017 року, пролетівши понад сто мільйонів років, відблиски потужного зіткнення в далекій-далекій галактиці нарешті досягли Землі. У 2019 році астрофізик із Чиказького університету Деніел Хольц зрозумів, що коли гравітаційні хвилі стривожили два надчутливі детектори LIGO, він отримав інформацію, необхідну для нового революційного виміру найважливіших чисел в астрофізиці - сталої Габбла.
"Один із двох методів вимірює яскравість наднових - зірок, що вибухають, - у далеких галактиках, - пояснює Гольц, - а інший вивчає крихітні флуктуації космічного мікрохвильового фону - слабкого світла, що залишилося після Великого вибуху".
Вчені вже два десятиліття працюють над підвищенням точності та достовірності кожного вимірювання, а також над тим, щоб виключити будь-які ефекти, які могли б вплинути на результати. Однак ці два значення, як і раніше, вперто розходяться майже на 10%.
"Постійна Габбла, - пише Гольц, - містить відповіді на важливі питання про Всесвіт, такі, як його розмір, вік та історія. Але два основні способи визначення її значення давали істотно різні результати. Тепер з'явився третій спосіб, який може розв'язати одне з найгостріших питань в астрономії або зміцнити закрадаючу підозру, якої дотримується багато хто в цій галузі, що в нашій моделі не вистачає чогось істотного".
Найважливіше завдання в космології
"У 1998 році, - зазначає Хольц, - вчені були приголомшені, виявивши, що швидкість розширення не сповільнюється в міру старіння Всесвіту, а прискорюється з плином часу. У наступні десятиліття, коли вони намагалися точно визначити цю швидкість, стало очевидно, що різні методи дають різні відповіді".
"Оскільки метод наднових розглядає відносно близькі об'єкти, а космічний мікрохвильовий фон набагато давніший, можливо, що обидва методи вірні - щось глибоке у Всесвіті змінилося від початку часів".
"Ми не знаємо, чи має один або обидва методи якусь систематичну помилку, чи вони справді відображають фундаментальну істину про Всесвіт, яка відсутня в наших поточних моделях, - продовжує Хольц. - Можливо і те, і інше".
"В одну мить у нас з'явився абсолютно новий, абсолютно незалежний спосіб вимірювання однієї з найглибших величин у фізиці. Цей день я пам'ятатиму все життя".
"Знання точного значення постійної Габбла (H0) залишається одним із найважливіших завдань у космології", - пише Гольц у своєму електронному листі The Daily Galaxy.
"Вимірювання H0 за допомогою різних підходів, мабуть, не збігаються, і причини цих розбіжностей наразі залишаються непрозорими. Майбутні дані мають пролити світло на ці вимірювання, що, імовірно, призведе або до зближення в єдиному значенні для H0, або до закріплення різних значень залежно від підходу до вимірювання. Будь-яка з цих подій стане важливим кроком вперед у нашому розумінні Всесвіту".
Місцева постійна Габбла і міжзоряний пил
Інша група астрономів під керівництвом Едварда Мертселла зі Стокгольмського університету припустила, що раніше виміряна місцева постійна Габбла може бути неточною через систематичні варіації властивостей міжзоряного пилу в різних галактиках.
Міжзоряний пил легше розсіює синє світло, червоніючи і гасячи випромінювання, що проходить крізь пил. Наприклад, Сонце здається червонішим і тьмянішим, якщо дивитися на нього низько над горизонтом поблизу заходу сонця, тому що пил і молекули повітря в атмосфері Землі розсіюють синє світло за межами прямої видимості. Ступінь почервоніння та екстинкції пилу залежить від розміру і складу пилових зерен.
Попередні дослідження сталої Габбла припускали, що всі галактики містять міжзоряний пил, що підпорядковується одному й тому самому закону почервоніння.
Однак у нещодавно представленій роботі Мертселл і його колеги продемонстрували, що наша галактика Чумацький Шлях та її супутник, Велика Магелланова Хмара, де калібруються яскравість і колір Цефеїд, мають інші властивості міжзоряного пилу, ніж більш віддалені галактики.
Після врахування відмінностей у властивостях пилу в різних галактиках, вони виміряли місцеву сталу Габбла, яка узгоджується з результатами Планка в більш ранньому Всесвіті та є набагато нижчою за раніше виміряне командою Рісса місцеве значення сталуни Габбла.
Робота все ще перебуває на ліцензії, але препринт наукової статті, презентованої в травні 2021 року, має назву "Напруга Габбла кусає пил: чутливість визначення сталої Габбла до калібрування кольору цефеїд".
Інші астрономи зараз намагаються підтвердити цей результат, але поки що дані вимірювань непублічні.
Новий метод
Злиття бінарних нейтронних зірок у 2017 році, спочатку виявлене LIGO за допомогою гравітаційних хвиль і згодом зафіксоване в оптичному та інфрачервоному діапазонах, відбулося занадто близько, на відстані 130 мільйонів світлових років. Тому не можна гарантувати точне вимірювання постійної Габбла.
Наразі LIGO модернізується і незабаром стане більш чутливим до віддалених зіткнень нейтронних зірок, які можуть забезпечити необхідну точність вимірювання, - до кількох відсотків.
Таким чином, LIGO незабаром дасть незалежний вимір місцевої сталої Габбла, вільний від вищезгаданих проблем калібрування Цефеїд і почервоніння пилу.
"Ми виявили, що галактики розташовані ближче, ніж передбачає стандартна модель космології. Є проблеми, що виникли під час проведення контрольних вимірювань. У нашій роботі використовується метод вимірювання відстаней, абсолютно незалежний від інших, і ми посилюємо розбіжність між виміряними і передбаченими значеннями. Найімовірніше, проблема полягає в базовій космологічній моделі, задіяній у прогнозах", - упевнений Джеймс Браатц із Національної радіоастрономічної обсерваторії (NRAO), який очолює Megamaser Cosmology Project.
Проєкт являє собою міжнародні зусилля з вимірювання постійної Габбла шляхом пошуку галактик зі специфічними властивостями, які дають змогу отримати новий набір точних відстаней.
При цьому планується використовувати міжнародну колекцію радіотелескопів, що значно збільшить ймовірність перегляду базових принципів Стандартної моделі.
У рамках проєкту NRAO використовували телескопи Very Long Baseline Array (VLBA) Національного наукового фонду, Very Large Array (VLA) Карла Г. Янскі та Green Bank Telescope (GBT) Роберта К. Берда, а також телескоп Еффельсберг у Німеччині.
