Измерения «Уэбба» проливают новый свет на загадку десятилетней давности.
Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и конечной судьбы космоса. Однако между значением константы, измеренным с помощью широкого спектра независимых индикаторов расстояний, и её значением, предсказанным на основе послесвечения Большого взрыва, наблюдается постоянное расхождение, называемое «хаббловской напряжённостью». Космический телескоп НАСА/ЕКА/ККА «Джеймс Уэбб» подтвердил, что зоркий глаз космического телескопа «Хаббл» был прав всегда, устранив все остававшиеся сомнения относительно его измерений.
Одним из научных обоснований создания космического телескопа «Хаббл» было использование его наблюдательных возможностей для получения точного значения скорости расширения Вселенной. До запуска «Хаббла» в 1990 году наблюдения с наземных телескопов давали огромные погрешности. В зависимости от полученных значений скорости расширения возраст Вселенной мог составлять от 10 до 20 миллиардов лет. За последние 34 года «Хаббл» улучшил это измерение, уменьшив погрешность до менее чем одного процента, уточнив возраст до 13,8 миллиарда лет. Этого удалось добиться благодаря уточнению так называемой «лестницы космических расстояний» путём измерения важных промежуточных точек, известных как переменные звёзды цефеиды.
Однако значение «Хаббла» не согласуется с другими измерениями, которые указывают на то, что Вселенная расширялась быстрее после Большого взрыва. Эти наблюдения были сделаны с помощью спутника ЕКА «Планк», составившего карту космического микроволнового фонового излучения — план эволюции структуры Вселенной после её остывания после Большого взрыва.
Простым решением дилеммы было бы сказать, что, возможно, наблюдения «Хаббла» ошибочны, так как в его измерения меток дальнего космоса вкралась какая-то неточность. Затем появился космический телескоп Джеймса Уэбба, который позволил астрономам перепроверить результаты «Хаббла». Полученные «Уэббом» инфракрасные изображения цефеид совпали с данными «Хаббла» по оптическому свету.
В итоге так называемая «хаббловская напряжённость» между тем, что происходит в близлежащей Вселенной, и ранним расширением Вселенной остаётся для космологов загадкой. Возможно, в ткань космоса вплетено что-то, чего мы пока не понимаем.
Требует ли разрешение этого расхождения новой физики? Или это результат ошибок измерений двух различных методов, используемых для определения скорости расширения пространства?
Теперь «Хаббл» и «Уэбб» объединили свои усилия для получения точных измерений, что ещё раз доказывает, что на скорость расширения влияет что-то другое, а не ошибки измерений.
«Если свести на нет ошибки измерений, остаётся реальная и захватывающая возможность того, что мы неправильно понимаем Вселенную», — говорит Адам Рисс, физик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Адам является обладателем Нобелевской премии за совместное открытие того факта, что расширение Вселенной ускоряется благодаря загадочному явлению, которое теперь называют «тёмной энергией».
Первоначальное наблюдение «Уэбба» в 2023 году подтвердило, что измерения «Хаббла» расширяющейся Вселенной были точными. Однако, надеясь снять напряжённость, вызванную «Хабблом», некоторые учёные предположили, что невидимые ошибки в измерениях могут расти и становиться заметными по мере того, как мы будем заглядывать всё глубже во Вселенную. В частности, звёздное скопление может систематически влиять на измерения яркости более удалённых звёзд.
Команда SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) под руководством Адама получила дополнительные наблюдения с помощью «Уэбба» за объектами, которые являются важнейшими космическими маркёрами, известными как переменные звёзды цефеиды, которые теперь можно соотнести с данными Хаббла.
«Теперь мы охватили весь диапазон наблюдений "Хаббла" и можем с высокой степенью уверенности исключить ошибку измерения как причину "хаббловской напряжённости"», — сказал Адам.
Первые несколько наблюдений «Уэбба» в 2023 году показали, что «Хаббл» находится на правильном пути, и подтвердили достоверность измерения первых ступеней так называемой «лестницы космических расстояний».
Астрономы используют различные методы измерения относительных расстояний во Вселенной в зависимости от наблюдаемого объекта. В совокупности эти методы известны как лестница космических расстояний — каждая ступень или метод измерения опирается на предыдущую ступень для калибровки.
Но некоторые астрономы предположили, что, продвигаясь по «второй ступеньке», лестница космических расстояний может пошатнуться, если измерения, связанные с цефеидами, становятся менее точными с увеличением расстояния до них. Такие неточности могут возникать из-за того, что свет цефеиды может смешиваться со светом соседней звезды — эффект, который может усиливаться с расстоянием, поскольку звёзды теснятся на небе и их всё труднее отличить друг от друга.
Наблюдательная проблема заключается в том, что на прошлых изображениях Хаббла эти более удалённые переменные цефеиды выглядят более сгрудившимися и перекрывающимися с соседними звёздами на всё большем расстоянии между нами и их галактиками-хозяевами, что требует тщательного учёта этого эффекта. Находящаяся между ними и нами космическая пыль ещё больше усложняет достоверность измерений в видимом свете. «Уэбб» просвечивает пыль и естественным образом изолирует цефеиды от соседних звёзд, поскольку в инфракрасном диапазоне длин волн его зрение острее, чем у «Хаббла».
«Сочетание "Уэбба" и "Хаббла" даёт нам всё лучшее от обоих инструментов. Мы обнаружили, что измерения "Хаббла" остаются надёжными по мере того, как мы забираемся всё дальше по лестнице космических расстояний», — говорит Адам.
«Новые наблюдения "Уэбба" включают пять галактик-хозяев восьми сверхновых типа Ia, содержащих в общей сложности 1000 цефеид, и доходят до самой дальней галактики, где цефеиды были хорошо измерены — NGC 5468, находящейся на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас. Это охватывает весь диапазон, в котором мы проводили измерения с помощью "Хаббла". Таким образом, мы подошли к концу второй ступеньки лестницы космических расстояний», — говорит соавтор исследования Гагандип Ананд из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который управляет телескопами «Уэбб» и «Хаббл» для НАСА.
Вместе с тем подтверждение «Хабблом» и «Уэббом» наличия хаббловской напряжённости даёт возможность другим обсерваториям разрешить эту загадку, в том числе оставляет работу для готовящегося к запуску космического телескопа НАСА «Нэнси Грейс Роман» и недавно запущенной миссии ЕКА «Евклид».
В настоящее время ситуация похожа на то, как если бы лестница расстояний, наблюдаемая «Хабблом» и «Уэббом», прочно закрепилась на своих позициях, а послесвечение Большого взрыва, наблюдаемое «Планком», и существующее почти с самого начала Вселенной, прочно закрепилось на другом берегу. Как менялось расширение Вселенной за миллиарды лет между этими двумя конечными точками, нам ещё предстоит изучить на основании наблюдений. «Нам нужно выяснить, не упускаем ли мы чего-нибудь, и понять, как связать начало Вселенной и сегодняшний день», — сказал Адам.
Комментарии (22)
Kldn
20.03.2024 12:40Вопросы от дурака:
Чем длиннее волна, тем больше вероятность ей дойти до нас на больших расстояниях в результате интерференции. Может поэтому видим "красное смещение"?
Разве в результате многократные линзирований и оказания всякого электпомагнитного воздействия на световую волну она не может вытянуться и обрести "красное смещение"?
Если галактики отдаляются от нас, то почему Андромеда несётся на нас?
Если галактики отдаляются друг от друга, то почему они собираются в скопления, да ещё иногда с общим центром вращения, а скопления собираются в мегаструктуры?
Буду признателен за ответы))
Fen1kz
20.03.2024 12:40+1Я не физик, понимаю это так:
Чем длиннее волна, тем больше вероятность ей дойти до нас на больших расстояниях в результате интерференции. Может поэтому видим "красное смещение"?
Красное смещение видим из-за эффекта допплера, а не потому что больше вероятность до нас долететь
Разве в результате многократные линзирований и оказания всякого электпомагнитного воздействия на световую волну она не может вытянуться и обрести "красное смещение"?
Может, но мы видим "красное смещение" практически ото всех звезд. Кроме тех, которые летят к нам, но и те летят как будто пространство увеличивается. Так что либо земля - центр вселенной и от неё все удаляются, либо:
Если галактики отдаляются от нас, то почему Андромеда несётся на нас?
Если галактики отдаляются друг от друга, то почему они собираются в скопления, да ещё иногда с общим центром вращения, а скопления собираются в мегаструктуры?Галактики не отдаляются, а расширяется само пространство везде. Между галактиками, между звездами, между планетами, даже между атомами (вот тут вроде как общего консенсуса нет). Просто это расширение всё-таки достаточно мало, так что заметить мы его можем только на галактическом масштабе. При этом галактики продолжают вести себя как нормальные физические объекты, вот, например, Андромеду швырнуло на нас, да с такой скоростью, что даже расширение пространства между нами не влияет.
nickolas059
20.03.2024 12:40Между галактиками, между звездами, между планетами, даже между атомами (вот тут вроде как общего консенсуса нет)
Насколько я понимаю, нет. Расширение характерно только на галактических масштабах. Более подробную информацию вы можете найти:
https://habr.com/ru/amp/publications/369417/
MishaRash
20.03.2024 12:40Расширение характерно только на галактических масштабах.
Скорее даже на масштабах больше скоплений галактик.
Атомы и макроскопические тела удерживаются электромагнитными силами и сохраняют свой "физический" размер. Галактики и их скопления имеют плотность намного больше фоновой и поэтому под действием гравитации не расширяются со средней относительной скоростью.
Fen1kz
20.03.2024 12:40Я почитал статью, и нашел в ней опровержение ваших слов и подтверждение моих о_о
"С точки зрения каждого из атомов все другие атомы убегают от него, а те, что изначально находились дальше, убегают быстрее тех, что были ближе."
Фотоны в далеком будущем будут вести себя как полноценные частицы из-за того, что и на них влияет расширение пространства
MishaRash
20.03.2024 12:40С точки зрения каждого из атомов все другие атомы убегают от него, а те, что изначально находились дальше, убегают быстрее тех, что были ближе.
Речь об атомах теста/хлеба в аналогии. Это не обязательно распространяется на любую пару атомов во Вселенной. Что происходит согласно нынешней космологической модели, написал выше.
Фотоны в далеком будущем будут вести себя как полноценные частицы из-за того, что и на них влияет расширение пространства
Только если у них ненулевая масса покоя. Она сейчас сильно ограничена сверху, так что если фотоны и станут нерелятивистской материей, то в очень уж далёком будущем.
domix32
20.03.2024 12:40Чем длиннее волна, тем больше вероятность ей дойти до нас на больших расстояниях в результате интерференции.
Красное смещение появляется из-за расширения пространства-времени, а не интерференции. То бишь при постоянном потоке излучения из-за увеличеиня расстояния скорость получения квантов этого излучения постепенно сокращается. Частота обратно пропорциональна длине волны, исходя из чего получаем красное смещение. Волна, скатываясь постепенно в красный/инфракрасный спектр и в конце концов исчезает с радаров в связи с недостаточностью скорости света для покрытия скорости разбегания в стороны.
Разве в результате многократные линзирований и оказания всякого
электпомагнитного воздействия на световую волну она не может вытянуться и
обрести "красное смещение"?Линзирование предполагает только изменение траектории света, когда рассеяный свет от одного становится менее рассеяным из-за чего сторонний наблюдатель может получать чутка больше информации об объекте. Эффекты смещения могут быть, но там есть нюансы и пока не имеют наблюдательных подтверждений.
Если галактики отдаляются от нас, то почему Андромеда несётся на нас?
Никто не утверждал, что ВСЕ галактики от нас удаляются. Какие-то летят от нас, в какие-то в нашу сторону, какие-то параллельно-перпендикулярно и всяко вкось накось. Скорость полёта галактик в среднем заметно выше рассчётной скорости расширения вселенной, поэтому галактики вполне могут встречаться, пересекаться, сталкиваться, сливаться и всячески взаимодействовать. Так получилось, что Андромеда летела нам навстречу и через пару миллиардов лет мы будем активно с ней взаимодействовать, а пока взаимодействуют гало наших галактик.
почему они собираются в скопления, да ещё иногда с общим центром вращения, а скопления собираются в мегаструктуры?
Со скоростью разлёта определились выше, для второго проще посмотреть на динамику воды в некоторой ёмкости из которой сливают воду - в толще воды возникает огромное количество турбулетных барашков. Вы большой и вы их можете видеть. А теперь представьте, как эти барашки выглядят для какой-нибудь единственной молекулы воды - на её масштабах вся жидкость движется во все стороны. Движения галактик в общем также происходят с похожим "турбулентным" поведением, только на масштабах крайне больших, и с учётом расширения там получаются не совсем барашки, а всякие мегаструктуры, которые возможно отчасти сохранили отпечатки первоначальной плотной вселенной. Кстати, именно из-за подобной турбулентности и нет возможности найти направления из которого произошёл большой взрыв - турбулентность всех настолько перемешала всех, что все летят во все стороны.
iklim
20.03.2024 12:40+1Темная материя ответственна за скопления вещества, расширение вселенной идёт за счёт темной энергии.
kauri_39
20.03.2024 12:40Однако значение «Хаббла» не согласуется с другими измерениями, которые указывают на то, что Вселенная расширялась быстрее после Большого взрыва. Эти наблюдения были сделаны с помощью спутника ЕКА «Планк», составившего карту космического микроволнового фонового излучения
Вроде наоборот. По микроволновому излучению постоянная Хаббла равна 67 км/с на Мпк, а по цефеидам-сверхновым - 73 км/с. Первое значение даёт ранняя Вселенная с более равномерным распределением материи и её большей плотностью, а второе значение даёт поздняя, "локальная" Вселенная, когда к меньшей в среднем плотности материи мог добавиться её локальный минимум. А чем меньше материи, тем выше скорость космологического расширения.
У меня возникло противоречие в философском понимании общей теории относительности. В ней есть гравитационная часть, где описывается искривление материей пространства-времени, и космологическая часть, где описывается расширение Вселенной. С открытием ускоренного расширения Вселенной в ОТО проник физический вакуум: Лямбда-член в уравнениях Эйнштейна имеет значение плотности энергии вакуума. Не то сверхбольшое значение, которое насчитывают вакууму в КТП, а гораздо меньшее, которое определяется давлением вакуума на материю и следствием этого давления - скоростью разлёта скоплений галактик.
Вот тут и засада. В гравитационной части ОТО материя не такая пассивная к давлению вакуума, она как-то воздействует на него, вследствие чего искривляет в свою сторону пространство-время. Не может же материя менять своё поведение в зависимости от того, чего мы от неё хотим - активности для искривления пространства-времени или пассивности для его расширения.
Я так понимаю, что материя всегда воздействует на вакуум. Вблизи от материи это ведёт к искривлению метрики, а вдали от материи из-за тёмной энергии вакуума метрика нестационарна - пространство расширяется. И тогда нужно разбираться с этим воздействием материи на вакуум. Принцип эквивалентности пассивной гравитационной массы и инертной массы доказывает, что через материю вакуум вытекает в некое пространство большей размерности, в которое вложена наша Вселенная. И тогда плотность энергии вакуума в ней нужно повысить, чтобы выйти на наблюдаемую скорость разлёта скоплений. Чтобы накачивать "худой шарик" с прежней скоростью, в нём нужно поднять давление. Это приближает к решению проблемы космологической постоянной, но для начала хорошо бы решить указанное противоречие в понимании ОТО.
diakin
Так может сейчас и нет никакого расширения. Мы наблюдаем удаленные объекты такими, какими они были в далеком прошлом, тогда у них было красное смещение. А что там с ними сейчас происходит, мы не знаем.
andarko
Для этого надо узнать, на каком самом маленьком расстоянии фиксируется красное смещение. Я так подозреваю, что для звёзд галактики Андромеда оно тоже должно фиксироваться. А это всего лишь 1 миллион световых лет. Если это так, то по вашему выходит, что расширение взяло и притормозило совсем недавно?
Даже 130 миллионов световых лет, указанные в статье, как максимальное расстояние для наблюдений цифеид, это же совсем недавнее прошлое в рамках жизни вселенной. Это просто не логично
MishaRash
У галактики Андромеды отрицательное красное смещение (также говорят голубое), потому что она значительно приближается к нам и поверх расширения Вселенной работает релятивистский эффект Доплера. Такие скорости на фоне равномерного расширения называют пекулярными, они особенно существенны на малых расстояниях, а на больших их относительный эффект уменьшается.
Цефеиды — это промежуточный индикатор, средняя ступенька лестницы расстояний. Их красные смещения вроде бы не измеряются. Грубо говоря, ближние из них находятся в пределах Млечного пути, где расстояние до них можно измерить методом параллакса. Это позволяет откалибровать соотношение между периодом пульсации, цветом и пиковой мощностью (светимостью) цефеиды. Из последней, зная измеряемый у нас поток (т.е. мощность принимаемого излучения на единицу площади), можно вычислить расстояние. Затем можно использовать более далёкие цефеиды в галактиках, в которых также наблюдались сверхновые типа Ia, чтобы откалибровать для них соотношения между измеримыми характеристиками и максимальной мощностью. Тогда наконец можно вычислить расстояния до более далёких сверхновых типа Ia, для которых будут уже более чистые от пекулярных скоростей красные смещения.
(В работах SH0ES и других ведущих коллабораций, работающих со сверхновыми Ia, насколько я знаю, более сложная схема для достижения лучшей точности.)
MishaRash
Например, сверхновые Dark Energy Survey, используемые для диаграммы Хаббла, находятся на красных смещениях от 0.1 до 1.13, что примерно соответствует от 1.3 до 8.4 миллиардов лет назад. Добавленная внешняя выборка начинается с красного смещения 0.025 (≈350 миллионов лет назад).
andarko
А разве скорость движения источника света имеет какое-то значение? Я думал, что нет, что удаляющийся и приближающийся объект, если испустят свет с одного расстояния до наблюдателя, то он дойдет до наблюдателя за одно и то же время и без какой либо разницы в длине волны. Я думал, что единственный фактор здесь - растяжение пространства.
Я не прав? Где об этом можно прочитать?
domix32
Доплеровский эффект имеет место быть и необходимо делать на него поправку. Ещё есть странная теория т.н. ленивого света, которая тоже теоретически может влиять на спектр, но оно скорее пытается решать проблему хабловского напряжения таким способом, но пока не шибко хорошо работает на тех данных, что нам известны.
andarko
Так, походу сейчас мой мир перевернётся. То есть свет дальних галактик смещается в "красный" спектр не потому что волна света растягивается, пока летит, вместе с пространством, а потому что галактика тупо улетает от нас?
Иди действуют оба эффекта сразу?
П.С. на Вики в статье об эффекте Доплера действительно сказано, что электромагнитные волны правда ему подвержены, как по классическим причинам, так и по релятивистским, связанным с замедлением времени
П.П.С прочитал вики, оказывается там вообще целых 3 фактора красного смещения: эффект Доплера, влияние гравитационного поля и растяжение пространства, пока луч летит. Всё сразу.. Мда, век живи..
domix32
Доплеровский эффект даёт растяжение связанное с движением источника. Сторона которая ближе к нам или направляется в нашу сторону будет светить чутка ярче чем что-то улетающее и более далёкое. Работает это даже на измерениях реликтового излучения, т.к. мы тоже летим вместе с галактикой и получаем некоторый буст в измерениях в некотором "полушарии".
Растяжение пространства тоже постепенно уменьшает количество квантов получаемых в некоторый период времени, что даёт красное смещение, про которое обычно говорят в научных статьях про измерения расстояние до космических объектов.
Ленивый свет подразумевает, что пространство имеет неравномерный градиент гравитации из-за чего при переходах между различными участками с разными "плотностями" происходит штука аналогичная переходу звука из воды в воздух и наоборот. Пока что данных о структури таких гравитационных переходов недостаточно, чтобы однозначно сказать, что эти эффекты действительно имеют какое-то заметное влияние на измерения расширения вселенной, поэтому запущен проект по картографированию и рассчёту распределения массы, который будет пытаться рассчитать значимость этого эффекта на замеры от тех же цефеид.
MishaRash
Да, и растяжение/сжатие длины волны/частоты от этих факторов мультипликативно. На больших расстояниях растяжение пространства наиболее значительно влияет. Но если рассматривать разности красных смещений галактик, близких друг к другу, их относительное движение всё равно приходится учитывать.
MishaRash
Вообще в метрике Фридмана красное смещение прямо задаётся тем, во сколько раз Вселенная расширилась между моментом испускания излучения и моментом его наблюдения. Связать это с "мгновенными" свойствами источника сложнее на больших красных смещениях (на малых проще, как и многие другие вещи — можно считать более приблизительно).
Кроме того, диаграмма Хаббла (красное смещение в зависимости от расстояния), построенная по сверхновым, с 1998 года всё более отчётливо показывает тренд на ускорение расширения со временем (имеется в виду вторая производная масштабного фактора, а не производная параметра Хаббла, если что; вторая из них вроде бы отрицательная). Да, строго говоря, совсем до сегодняшнего момента эти данные не доходят (их становится слишком мало просто из-за уменьшения объёма сферы, очерченной вокруг нас, по мере сокращения радиуса), но не очевидно, что должно вдруг поменять тенденцию.