В 1920-е годы споры о размерах Вселенной и природе туманностей бушевали среди ученых. Некоторые из них утверждали, что космические газовые облака — это молодые планетарные системы, которые формируются в Млечном Пути, другие — что это далекие отдельные «вселенные» подобные нашей. Точку в этом споре поставил американский астроном Эдвин Хаббл.
Ученый рассчитал расстояние до туманности Андромеды и показал, что оно больше размеров Млечного Пути, а значит, речь идет об отдельной галактике. А в 1929 году ученый опубликовал работу, в которой на основе наблюдения за несколькими известными галактиками показал, что они удаляются от Земли в разных направлениях. Правило, которое устанавливает соотношение между расстоянием до галактики и ее лучевой скоростью назвали законом Хаббла или законом Хаббла — Леметра.
Бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр пришел к тем же выводам за два года до Хаббла, но его статья, опубликованная на французском и в непопулярном журнале, осталась незамеченной.
Современная космологическая модель основана на принципе расширения Вселенной. Однако альтернативные методы наблюдения дают разные значения его скорости. Ученые продолжают разрабатывать новые способы, чтобы наконец поставить точку в этом вопросе. А вслед за этим точно определить возраст, эволюцию и состав Вселенной.
Вселенная расширяется?
На этот вопрос нет точного ответа, поскольку невозможно выйти за пределы системы и посмотреть извне, как все происходит на самом деле. Но теория расширяющейся Вселенной лучше всего описывает наблюдения.
Во-первых, исследования космоса обнаруживают красное смещение: оказалось, что чем дальше от нас находятся объекты тем больше излучение от них, смещается к красной части спектра. В своей статье Хаббл показал зависимость между расстоянием и красным смещением. Кроме того, он установил, что скорость удаляющихся объектов пропорциональна расстоянию до них. Лучше всего эти наблюдения соотносятся с метрическим (линейным) расширением.
Во-вторых, масштабные космологические наблюдения с глубоким разрешением выяснили, что хотя в локальных масштабах Вселенная представляет собой «комковатую» структуру (галактики формируют группы, разделенные пустотами) на больших расстояниях она однородна.
В-третьих, однородность пространства, вызванная расширением Вселенной во все стороны, подтверждает однородность распределения далеких гамма-всплесков и взрывов сверхновых.
И, наконец, наблюдения Европейской космической обсерватории показывают, что реликтовое излучение было гораздо теплее в более ранние времена. Постепенное равномерное охлаждение следов Большого взрыва также согласуется с теорией равномерно расширяющейся Вселенной.
Как измеряют постоянную Хаббла?
Значение постоянной, которая устанавливает зависимость между скоростью движения галактик и расстоянием до них, оценивается путем измерения красного смещения далеких галактик и последующего определения расстояний до них каким-либо другим методом, кроме закона Хаббла.
Первые измерения постоянной провел сам Эдвин Хаббл. Наблюдая за Туманностью Андромеды с помощью 100-дюймового (254 см) телескопа обсерватории Маунт-Вилсон ученый выделил в ее составе отдельные яркие звезды. Среди них были цефеиды. Это класс пульсирующих переменных желтых гигантов и сверхгигантов, для которых хорошо изучена зависимость между периодом пульсации и светимостью.
Измерив оба параметра, ученый рассчитал расстояние до этих звезд, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость. Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек (Мпк). Это значит, что объекты, расположенные на расстоянии около 3,26 млн световых лет (1 Мпк) от Земли должны удаляться от нас со скоростью 500 км/с, 32,6 млн световых лет — 5 000 км/с и так далее.
Значение, полученное Хабблом, существенно отличается от современных наблюдений. Это связано с тем, что ученый не знал открытых позже законов, влияющих на зависимость периода и светимости цефеид, а также влияние собственной скорости местной группы галактик.
Современные наблюдения дают противоречивые результаты. Измерения на основе данных поздней Вселенной, аналогичные тем, которые проводил Хаббл, но с учетом новых данных и более мощных приборов (в том числе космического телескопа, названного в честь ученого) предсказывают значение космологической постоянной 73 ± 1 км/с на 1 Мпк. А данные, полученные при изучении реликтового излучения ранней Вселенной, — 67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк.
Есть альтернативы?
В работе, опубликованной в августе в журнале Physical Review Letters, ученые из Чикагского университета предлагают использовать гравитационные волны, возникающие при столкновении черных дыр, для измерения скорости расширения Вселенной.
Эффект аналогичный красному смещения возникает при распространении гравитационных волн. Столкновение сверхмассивных черных дыр, мощное событие. Оно вызывает в пространстве-времени гравитационные волны, которые распространяются, как круги на воде от упавшего камня.
Эту «рябь» измеряют на Земле американская лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и итальянская обсерватория Virgo. За несколько лет обе обсерватории собрали данные о столкновении более 100 пар черных дыр.
Сигнал от каждого столкновения содержит информацию о том, насколько массивными были черные дыры. Но из-за расширения Вселенной он искажается. В результате черная дыра, расположенная дальше, начинает казаться более массивной.
Ученые предлагают использовать накопленные данные о черных дырах для того, чтобы «откалибровать» прибор. Например, текущие данные свидетельствуют о том, что большинство обнаруженных черных дыр имеют массу от 5 до 40 раз больше массы нашего Солнца.
Исследователи считают, что если измерить массы ближайших к нам пар сталкивающихся черных дыр, а затем постепенно двигаться дальше, то на большом количестве примеров можно установить, как сильно изменяются «наблюдаемые» массы черных дыр по мере увеличения расстояния. Именно это значение и определит скорость расширения Вселенной.
Недостаток большинства современных способов наблюдения за расширением пространства в том, что пока могут быть неизвестны отдельные причины, которые искажают полученный результат. Хаббл не знал обо всех факторах, влияющих на зависимость между светимостью и периодичностью пульсации у цефеид, поэтому его измерения содержали погрешности. Также и современные представления о Вселенной, материи и распространении электромагнитных волн могут быть неполными.
В отличие от космологических наблюдений, метод, предложенный учеными из Чикаго, использует только теорию гравитации, которая изучена гораздо лучше. А значит, появился шанс поставить точку в вопросе скорости расширения Вселенной.
Читать далее:
Рекордный корональный выброс массы на Бетельгейзе в 400 млрд раз больше солнечного