Астрофізики запропонували новий спосіб вимірювання швидкості розширення Всесвіту

Останнім часом космологія переживає невелику кризу: два основні методи вимірювання швидкості розширення Всесвіту показують різні результати. Вчені з Данії запропонували новий метод, який, можливо, допоможе вирішити цю проблему.

Приблизно 100 років тому американський астрофізик Едвін Хаббл , вимірюючи відстані до найближчих галактик, зауважив, що в спектрі їхнього атомного випромінювання є червоне зміщення доплерівського — ефект, при якому електромагнітне випромінювання збільшує свою довжину хвилі. На основі отриманих даних Хаббл зробив висновок, що галактики віддаляються від нас та одна від одної. 

Трохи пізніше вчений виявив, що чим далі від спостерігача знаходиться галактика, тим сильніше червоне зміщення, і, отже, швидше вона віддаляється. Отже, уклав астрофізик, Всесвіт розширюється. Варто розуміти, що не самі галактики рухаються на швидкості у просторі – рух відбувається саме за рахунок розширення тканини простору.

У своїй роботі Хабл використовував розрахований їм коефіцієнт пропорційності, який пов’язує відстань до об’єкта зі швидкістю його видалення. Цей коефіцієнт прийнято називати “постійною Хаббла” , проте астрофізик отримав його з дуже великою похибкою, тому що часто недооцінював відстані.

Сучасні вчені намагаються «уточнити величину постійної Хаббла», що дозволить точно визначати відстані до галактик та їх скупчень. Відкриття вирішить низку фундаментальних завдань у космології, зокрема допоможе достовірніше розрахувати вік Всесвіту.

Сьогодні для вимірювання швидкості розширення вчені користуються двома основними методами. Перший спосіб – по спостереженню світності далеких джерел. На практиці це виглядає так: вчені шукають галактики з надновими, а потім по блиску та кольору наднових обчислюють відстань до об’єкта та швидкість розширення Всесвіту. 

Другий спосіб – вивчення параметрів космічного надвисокочастотного фонового випромінювання ( реліктове випромінювання ), яке почало рівномірно заповнювати Всесвіт через кілька миттєвостей після Великого вибуху.

Проблема з цими методами полягає в тому, що вони дають різні результати. Перший метод визначає значення Хаббла як приблизно 73 кілометри на секунду на мегапарсек, другий – близько 67 кілометрів на секунду на мегапарсек. З розвитком телескопів величина постійної Хаббла продовжує уточнюватися. Зараз для виміру швидкості розширення вчені беруть середні значення — майже 70 кілометрів на секунду на мегапарсек. 

Для ясності: один мегапарсек дорівнює 3,26 мільйонів світлових років. Якщо, скажімо, якась галактика знаходиться на відстані 50 мегапарсек і потрібно обчислити швидкість її віддалення від спостерігача, необхідно середнє значення постійної Хаббла (70) помножити на відстань (50). У результаті ми отримаємо швидкість видалення галактики, що дорівнює 3,5 тисячі кілометрів на секунду. 

Чому не вдається отримати точне значення постійної Хаббла – одна з найгарячіших тем в астрономії. Можливо, причина криється в невідомих ефектах, які систематично спотворюють один із результатів, а можливо, справа в «новій фізиці», яку ще належить відкрити.

У будь-якому випадку вчені не сидять склавши руки, а намагаються знайти способи, які б вирішили цю проблему. Наприклад, таку спробу зробили данські астрофізики з Інституту Нільса Бора. Вони запропонували новий метод виміру космічних відстаней. Результати їхньої роботи опубліковані в журналі Astronomy & Astrophysics .

«Коли дві нейтронні зірки, які є залишками наднових, обертаються один навколо одного і в якийсь момент зливаються, відбувається потужний вибух — так звана кілонова подія . У своїй роботі ми показали, наскільки цей вибух може мати ідеальну симетрію і наскільки ця симетрія не тільки красива, а й неймовірно корисна», — пояснив Альберт Снеппен, один із співавторів дослідження.

Данські вчені розповіли, що кілонові, незважаючи на всю їхню складність, головним чином описуються однією властивістю — температурою. Знаючи температуру та деякі інші параметри, можна дізнатися, скільки світла вони випромінюють. Порівнюючи цю яскравість з тим, скільки світла досягає Землі, можна вирахувати, наскільки далеко знаходиться кілонова. Таким чином, пояснили вчені, вони отримали новий метод розрахунку відстаней до галактик, що містять кілонові.

«Наднові, які використовують для вимірювання відстані до галактик, не завжди випромінюють однакову кількість світла. Більше того, при таких вимірюваннях постійно потрібне калібрування відстаней до наднових, а ще вторинне калібрування за цефеїдами . За допомогою кілонової можна обійти ці складнощі, які вносять невизначеність у виміри», — пояснив співавтор дослідження Дарач Вотсон.

Щоб перевірити свій спосіб насправді, датські астрофізики застосували його до кілонової AT2017gfo, відкритої у 2017 році. В результаті вони отримали значення Хаббла, близьке до значення, отриманого методом вимірювання фонового космічного випромінювання – близько 67 кілометрів в секунду на мегапарсек. 

Чи зможе вимір космічної відстані по кілоновій вирішити проблему постійної Хаббла, автори роботи поки що відповісти не беруться. На їхню думку, перш ніж відповісти на це питання, необхідно випробувати такий метод на інших аналогічних астрономічних подіях.

Варто зазначити, що для деяких фізичних теорій значення Хаббла має бути різним, оскільки швидкість розширення простору в різних точках раннього і пізнього Всесвіту може відрізнятися. Такий підхід викладено у роботах Миколи Горького, де неоднорідності, викликані розширенням найбільшої чорної діри Всесвіту, здатні суттєво змінювати швидкості розширення простору-часу.