Парадокс космологии близок к решению: как сверхновые Арес и Афина помогут точно измерить скорость расширения Вселенной

Наши самые точные методы измерения Вселенной выдают взаимоисключающие данные: скорость разлета галактик, рассчитанная теоретически по «эху» Большого взрыва, категорически не совпадает с прямыми наблюдениями за звездами. Это явление, известное как «напряжение Хаббла», невозможно списать на погрешность приборов. Однако теперь у астрофизиков появился шанс найти истину благодаря редчайшему феномену — свету двух древних сверхновых, который гравитация расщепила и отправила к Земле с задержкой в полвека.

Фундаментальный конфликт измерений

Сначала вспомним суть проблемы. Мы знаем, что Вселенная расширяется. Скорость этого процесса описывается постоянной Хаббла. Знание точного значения этой константы очень важно: от нее зависит наше понимание возраста Вселенной, ее состава и конечной судьбы.

На сегодняшний день существуют два основных и противоречащих друг другу способа вычислить эту величину:

1. Метод ранней Вселенной. Ученые анализируют реликтовое излучение — тепловой след, оставшийся после Большого взрыва. Используя данные спутника Planck и основываясь на Стандартной космологической модели (Lambda-CDM), физики экстраполируют данные на сегодняшний день. Этот метод дает значение 67 километров в секунду на мегапарсек.
2. Метод локальной Вселенной. Астрономы измеряют расстояния до пульсирующих звезд (цефеид) и взрывающихся звезд (сверхновых типа Ia) в соседних галактиках. Это прямые наблюдения, не требующие экстраполяции из ранней эпохи. Этот метод устойчиво показывает результат 73 километра в секунду на мегапарсек.

Разрыв между числами 67 и 73 выходит за пределы статистической погрешности. Это означает одно из двух: либо в измерения вкралась систематическая ошибка, которую никто не может найти, либо наше понимание физики неполно, и во Вселенной действуют неучтенные силы или частицы.

Именно в этот момент на сцену выходит третий, независимый метод, основанный на эффектах Общей теории относительности.

Открытие программы VENUS

На 247-й встрече Американского астрономического общества были представлены результаты работы программы VENUS (Vast Exploration for Nascent, Unexplored Sources). В рамках этого проекта космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» (JWST) проводит глубокое сканирование 60 массивных скоплений галактик.

В ходе наблюдений исследовательская группа под руководством Конора Ларисона из Института исследований космоса (STScI) обнаружила две уникальные сверхновые, получившие названия SN Ares и SN Athena.

Это древние объекты. Сверхновая Арес взорвалась, когда Вселенной было около 4 миллиардов лет. Сверхновая Афина вспыхнула примерно 6,5 миллиардов лет назад. Наблюдать подобные события на таких космологических дистанциях обычными методами практически невозможно. Однако в данном случае сработал эффект гравитационного линзирования.

Механика гравитационной задержки

Скопления галактик, которые изучает программа VENUS, обладают огромной массой. Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, масса искривляет структуру пространства-времени. Свет, проходящий вблизи такого массивного объекта, движется не по прямой, а следует за искривлением пространства.

Это приводит к двум физическим эффектам, которые лежат в основе открытия:

1. Усиление светимости. Искривленное пространство действует как фокусирующий элемент. Плотность потока фотонов увеличивается, что делает видимыми объекты, которые иначе остались бы за пределом чувствительности телескопов.
2. Множественность изображений. Свет от одной и той же вспышки может огибать скопление по разным траекториям. Геометрия этих путей различна: один луч может пройти «коротким» путем, другой — более длинным, огибая гравитационный центр по широкой дуге.

Поскольку скорость света в вакууме постоянна, фотонам, проходящим по более длинной траектории, требуется больше времени, чтобы достичь наблюдателя. В результате астрономы видят одну и ту же вспышку сверхновой несколько раз в разных точках неба и в разное время.

Хронометрирование расширения

Временная задержка между появлением первого и последующих изображений сверхновой — это точнейший измерительный инструмент.

Длительность задержки зависит от трех факторов:

• Распределения массы в скоплении-линзе (гравитационного потенциала).
• Разницы в длине геометрических путей света.
• Скорости расширения Вселенной за то время, пока свет находился в пути.

Поскольку распределение массы в скоплении поддается моделированию, а геометрия путей вычисляется, единственной переменной остается скорость расширения пространства — та самая постоянная Хаббла.

Сверхновая Афина предоставляет данные для анализа в ближайшей перспективе. Астрономы уже зафиксировали ее первые изображения. Основываясь на гравитационной карте скопления, они рассчитали, что повторное изображение вспышки должно появиться на небе через 2-3 года.

Это позволит получить независимое значение постоянной Хаббла. Если результат совпадет с цифрой 67, это подтвердит модель ранней Вселенной и укажет на ошибки в локальных измерениях. Если результат будет близок к 73, это станет весомым аргументом в пользу пересмотра основ физики.

Эксперимент длиною в поколение: фактор Ареса

Случай со сверхновой Арес (SN Ares) уникален даже по меркам современной астрофизики. Из-за особенностей расположения источника и конфигурации гравитационного поля скопления, расчетная задержка между изображениями составляет около 60 лет.

Почему столь длительный срок имеет научную ценность?

В задачах космологии точность часто зависит от длительности наблюдений и масштаба выборки. Короткие временные интервалы (дни или месяцы) чувствительны к микроскопическим ошибкам в моделировании распределения массы линзы. Интервал в 60 лет нивелирует эти погрешности. Относительная ошибка измерения времени при такой базе становится пренебрежимо малой.

Кроме того, свет от Ареса идет к нам из эпохи, когда Вселенная была значительно моложе. За время его путешествия темп расширения пространства менялся под воздействием темной энергии. Длительная задержка в прибытии сигналов несет в себе информацию об эволюции этого расширения.

Чем больше временная задержка, тем жестче ограничения, накладываемые на космологические модели. Свет от этих фоновых источников деформируется гравитационным полем, и время его задержки напрямую коррелирует с историей расширения Вселенной. Эта история, в свою очередь, определяется свойствами темной энергии, составляющей около 70% плотности энергии во Вселенной.

Астрономия временной области

Исследование Ареса и Афины относится к направлению, которое называют Time-Domain Astronomy (астрономия временной области) — изучение объектов, меняющих свои характеристики во времени. Обычно речь идет о быстрых процессах: взрывах, слияниях звезд, транзитах планет.

Однако в данном случае мы имеем дело с процессами, растянутыми на десятилетия.

Ученые сегодня делают предсказание появления сигнала в определенной точке неба через 60 лет. Это создает жесткие рамки для будущих исследователей. Когда в 2080-х годах астрономы направят телескопы в указанную точку и зафиксируют вспышку Ареса, разница между предсказанным и реальным временем прибытия сигнала станет окончательным вердиктом для наших сегодняшних теорий.

Это может либо закрыть вопрос о «напряжении Хаббла», указав на технические ошибки прошлых лет, либо, наоборот, открыть дверь в новую физику, подтвердив, что Вселенная расширяется сложнее, чем предполагает наша текущая Стандартная модель.

Источник: Venus