![](https://habrastorage.org/webt/si/ub/1b/siub1beey0pmbkll4ybtr5npvfk.jpeg)
Вселенная расширяется. Это общепризнанный факт, о котором учёные знают уже почти столетие. Впервые этот факт был предложен русским физиком Александром Фридманом в 1922 году, а затем независимо от него в 1927 году бельгийским астрономом Жоржем Леметром. Подтверждающие наблюдения были впервые опубликованы в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом.
Хотя расширение космоса признаётся научным сообществом практически повсеместно, две очень точные оценки скорости расширения Вселенной расходятся друг с другом. Это называется «хаббловской напряжённостью», и оно может стать первым серьёзным намёком на то, что космологи что-то упустили в своей теории создания и эволюции Вселенной. Хотя объяснение разногласий можно было бы списать на ошибку в одной или обеих оценках, последние измерения указывают на то, что расхождение действительно существует, что заставляет учёных серьёзно взглянуть на всю ситуацию.
Для начала разберёмся в следующем вопросе: а что вообще означает, что Вселенная расширяется? Большинство людей, когда они думают о расширении, представляют себе что-то вроде взрыва: серия осколков, движущихся во всех направлениях, исходящих из одной и той же точки, с разной скоростью. Со временем более быстродвижущиеся компоненты окажутся дальше от источника взрыва и будут иметь большую скорость, в то время как более медленно движущиеся компоненты пройдут меньшее расстояние за то же время, обладая меньшей скоростью.
Хотя для взрыва это верно, в расширяющейся Вселенной дело обстоит совсем не так. Во-первых, у космического расширения нет точки отсчёта; Вселенная расширяется одинаково для всех наблюдателей во всех местах. Во-вторых, при взрыве частиц, которые быстрее всего выбрасываются наружу, обычно меньше всего, а в расширяющейся Вселенной плотность удалённых объектов больше, и удаляются они быстрее, что прямо противоположно тому, что можно было бы предсказать при взрыве. И в-третьих, если бы мы проследили всё, что удаляется, до единой исходной точки, то она оказалась бы удивительно близко к нам: менее 0,1 % размера Вселенной от Млечного Пути. Однако нигде, на протяжении миллиардов световых лет во всех направлениях, мы не видим ничего особенного или примечательного ни у какой области пространства. Так что это был не взрыв.
Вместо этого гораздо более удачной аналогией для расширяющейся Вселенной — и, в отличие от взрыва, такой, которая согласуется с нашей теорией гравитации, общей теорией относительности, — является буханка хлеба с закваской. Представьте, что по всему хлебу беспорядочно распределён изюм, что он находится в невесомости и естественным образом начинает собираться в шар. Теперь представьте, что вы живёте внутри одной из этих изюминок, распределённых в тесте, что каждая из них представляет собой связанную структуру, например, галактику или группу галактик, и что тесто, хотя оно и присутствует, совершенно невидимо для вас во всех отношениях.
Со временем тесто разбухает — это и есть расширению пространства. Но поскольку тесто невидимо, вы будете наблюдать за поведением изюминок, разбросанных по тесту. Чем ближе каждая изюминка была к вам, тем медленнее она будет удаляться от вас. Но чем дальше от вас она находилась изначально, тем быстрее она будет удаляться. В какой-то момент, если ваш шар теста достаточно велик, достаточно удалённый объект (или галактика) окажется на таком расстоянии и будет удаляться так быстро, что свет от него не сможет до вас дойти. Учитывая, что возраст Вселенной, какой мы её знаем, конечен, и начался с горячего Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад, существуют пределы как наших наблюдений, так и того, как далеко мы можем заглянуть.
Расширение космоса происходит точно так же: более удалённые объекты во Вселенной удаляются от Земли быстрее, чем более близкие. Грубо говоря, удалённые галактики удаляются от Земли со скоростью 70 километров в секунду на каждый миллион парсек расстояния.
Таким образом, галактика, находящаяся в одном мегапарсеке от Земли, удаляется от неё со скоростью 70 км/с, а галактика, удалённая на два мегапарсека, — со скоростью 140 км/с. Эта скорость и называется постоянной Хаббла.
Стоит напомнить, что такое парсек. Если представить себе вытянутый в пространстве прямоугольный треугольник, в котором короткая сторона равна одной а. е. (астрономическая единица, среднее расстояние между Землёй и Солнцем), а угол, противоположный этой стороне, равен одной угловой секунде (1⁄3600 градуса), то парсек определяется как длина прилегающей к этому углу стороны треугольника. Значение парсека может быть выведено с помощью правил тригонометрии. Расстояние от Земли, на котором радиус её солнечной орбиты составляет одну дуговую секунду.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr//post_images/e63/ab2/562/e63ab2562bbf85708c53d2d084851b15.png)
Один из старейших методов, используемых астрономами для расчёта расстояния до звезды, заключается в записи разности углов между двумя измерениями положения звезды на небе. Первое измерение проводится с Земли, находящейся по одну сторону от Солнца, а второе — примерно через полгода, когда Земля находится по другую сторону от Солнца. Расстояние между двумя положениями Земли в момент проведения двух измерений вдвое больше расстояния между Землёй и Солнцем. Разница в угле между двумя измерениями в два раза больше угла параллакса, который образуют линии от Солнца и Земли до звезды в удалённой вершине. Затем расстояние до звезды можно рассчитать с помощью тригонометрии. Первые успешные опубликованные прямые измерения объекта на межзвёздных расстояниях были проведены немецким астрономом Фридрихом Вильгельмом Бесселем в 1838 году, который использовал этот подход для расчёта 3,5-парсекового расстояния до 61 Лебедя.
Использование парсека в качестве единицы измерения расстояния естественно вытекает из метода Бесселя, поскольку расстояние в парсеках может быть вычислено просто как обратная величина угла параллакса в арксекундах (т. е.: если угол параллакса равен 1 арксекунде, объект находится на расстоянии 1 пк от Солнца; если угол параллакса равен 0,5 арксекунды, объект находится на расстоянии 2 пк; и т. д.). Тригонометрические функции в этом соотношении не требуются, поскольку очень малые углы означают, что можно применить приближённое решение для узкого треугольника, у которого основание гораздо короче сторон.
Хотя термин «парсек» мог использоваться и раньше, впервые он был упомянут в астрономической публикации в 1913 году. Королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон выразил свою озабоченность по поводу необходимости названия для этой единицы измерения расстояния. Он предложил название «астрон», но упомянул, что Карл Шарлье предлагал «сириометр», а Герберт Холл Тёрнер — «парсек». Именно предложение Тёрнера и закрепилось.
Вернёмся к постоянной Хаббла, H0. Существует два основных способа её измерения. Примечательно, что они дают разные ответы, и это различие составляет хаббловскую напряжённость. Чтобы понять, почему эта напряжённость может подорвать основы космологии, нам нужно посмотреть, как проводятся измерения.
![](https://habrastorage.org/webt/nr/c2/aq/nrc2aqhq6m0zozn6m5l3lxvjjky.jpeg)
Первый метод — повторить то, что Хаббл сделал в 1929 году, непосредственно измерив скорости и расстояния между галактиками. Измерить скорость очень просто. Она определяется непосредственно по доплеровскому смещению света галактики. Это будет красное смещение, поскольку галактика удаляется от нас.
Измерить расстояние между галактиками сложнее, поскольку для этого необходимо найти так называемые «стандартные свечи». Это объекты, чья световая энергия, то есть собственная светимость, известна. Основной принцип физики заключается в том, что видимая яркость источника света уменьшается с расстоянием до наблюдателя. Поэтому, сравнив, насколько яркой кажется стандартная свеча, с тем, насколько яркой она должна быть, можно вычислить расстояние до неё. В распоряжении астрономов есть множество стандартных свечей, начиная от пульсирующих звёзд и заканчивая сверхновыми. Учитывая расстояния, полученные от стандартных свечей, и скорости, найденные по доплеровскому смещению, астрономы могут получить измерение H0.
![](https://habrastorage.org/webt/nr/c2/aq/nrc2aqhq6m0zozn6m5l3lxvjjky.jpeg)
Второй способ получения информации о H0 — реликтовое излучение (РИ), который представляет собой излучение, испускаемое спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. В то время Вселенная представляла собой не скопление галактик, а скорее ровный суп из частиц и света — плазму. Звуковые волны, проходящие через космическую плазму, оставляли на CMB рябь, которую сегодня можно проанализировать со сверхвысокой точностью. Эти исследования позволяют определить свойства плазмы. Используя теоретические модели космического расширения, астрономы могут предсказать, каким должно быть H0 сегодня. Эти предсказания становятся так называемыми «ранними измерениями» постоянной Хаббла, и мы можем сравнить их с более прямыми измерениями, которые мы описали выше. (Прямые измерения часто называют «поздними», потому что они получены из галактик, наблюдавшихся в относительно недавние космические эпохи).
Именно в сравнении результатов двух этих методов и рождается хаббловская напряжённость. Измерения раннего времени дают постоянную Хаббла H0 = 67,4 ± 0,5 (единицы измерения для краткости опустим). Измерения в позднем времени дают постоянную Хаббла H0 = 74,03 ± 1,42. Сравнение этих чисел показывает, в чём проблема. «Поздняя» H0 не только больше, чем «ранняя» H0 — она намного больше, чем позволяют погрешности «ранней». Два метода дают совершенно разные ответы, и эту разницу нельзя списать на экспериментальные ошибки или ошибки измерений.
Когда десять с лишним лет назад хаббловская напряжённость впервые заявила о себе, большинство астрономов считало, что её разрешение — лишь вопрос времени. Проблема, как они полагали, заключалась в точности измерений. Рано или поздно значения, полученные двумя методами, должны были прийти к гармонии. Но этого не произошло.
Одно из распространённых заблуждений относительно загадки хаббловской напряжённости заключается в том, что существует несовместимость между:
- данными о сверхновых, где сверхновые типа Ia — это наиболее далёкие из надёжных наблюдаемых свечей, используемые группами учёных, применяющими метод лестницы космических расстояний,
- данными о кластеризации галактик, запечатлённой в крупномасштабной структуре Вселенной (также известной как особенность барионных акустических колебаний, или БАО, которая обнаруживает характерную шкалу расстояний, расширяющуюся вместе с расширяющейся Вселенной),
- и данные РИ, которые дают нам более прямое измерение физического масштаба «пика», наблюдаемого в температурных флуктуациях остаточного свечения Большого взрыва, показывая, каким был «акустический масштаб», когда Вселенной было всего 380 000 лет.
Но загадка с напряжением Хаббла совсем не связана с тем, что эти наборы данных взаимно несовместимы.
На самом деле, все наборы данных удивительно совместимы и непротиворечивы. Данные по сверхновым типа Ia и барионным акустическим осцилляциям существенно перекрываются в пространстве и не вызывают разногласий друг с другом. Связь между расстоянием и яркостью сверхновых отлично работает и не обнаруживает никаких противоречий между связью между расстоянием и акустическим масштабом (т. е. угловым размером) в кластеризации галактик. Это часто удивляет людей, когда они слышат подобное заявление, поскольку они часто считают, что различные наборы данных — это именно те вещи, которые противоречат друг другу.
Однако это не совсем так. Напротив, противоречия возникают при выборе метода калибровки этих наборов данных.
- Для метода лестницы расстояний обычно выбирают близкий «якорь»: говорят что-то вроде «на этих близких расстояниях сверхновые имеют такую-то яркость и находятся на таком-то расстоянии, а теперь мы будем использовать наблюдаемую яркость и измеренное красное смещение (косвенный показатель расстояния) для более далёких сверхновых», чтобы сделать вывод о том, как расширялась Вселенная за свою историю.
- Для РИ или БAO, «ранних реликтов», мы начинаем с наполнения нашей Вселенной (например, согласно ΛCDM — «стандартной модели» космологии) и правил расширения Вселенной, а затем используем измеренные характеристики (например, акустическую шкалу), чтобы определить, какой была Вселенная давным-давно. Затем, наблюдая свет и его особенности сегодня (либо через РИ, либо через БAO в космической истории), мы можем сделать вывод о том, как расширялась Вселенная на протяжении своей истории.
Отсюда и возникает противоречие: выбираете ли вы точку привязки, находящуюся поблизости, и затем расширяете её во всё более удалённую Вселенную, или выбираете точку привязки, находящуюся близко по времени к Большому взрыву, и затем продвигаетесь вперёд, чтобы измерить историю космического расширения с того времени. Метод лестницы расстояний — это метод «начни здесь, а потом посмотри наружу», который неизменно приводит к значениям скорости расширения ~73 км/с/Мпк, тогда как метод ранних реликтов — это метод «начни раньше и смотри, как растёт акустическая шкала по мере приближения к настоящему времени», который неизменно приводит к значениям ~67 км/с/Мпк.
![image](https://habrastorage.org/webt/6o/6r/lo/6o6rloap8jgtx4hpfbaiuxsjjoi.gif)
Вот выборка возможных теоретических решений, которые могли бы объяснить это наблюдаемое расхождение, оставив оба наблюдательных лагеря «правильными» за счёт изменения в той или иной форме энергетического содержимого Вселенной с течением времени:
- Могла существовать форма «ранней тёмной энергии», которая присутствовала на стадиях горячего Большого взрыва с преобладанием излучения, и составляла несколько процентов от энергетического наполнения Вселенной, и которая исчезла без следа к тому времени, когда во Вселенной образовались нейтральные атомы.
- Могло произойти небольшое изменение кривизны Вселенной — от чуть большего значения к чуть меньшему, которое могло составить около 2% от общей плотности энергии Вселенной.
- Могло существовать взаимодействие тёмной материи и нейтрино, имевшее значение при высоких энергиях и температурах, но потерявшее значение в поздние времена.
- Могло существовать дополнительное излучение, влиявшее на космическое расширение на ранних этапах, например, какие-то безмассовые «тёмные фотоны».
- Также возможно, что тёмная энергия не была истинной космологической константой на протяжении всей нашей истории, а скорее эволюционировала либо по величине, либо по уравнению состояния с течением времени.
Когда вы собрали все кусочки головоломки, но всё равно остался недостающий фрагмент, с точки зрения теоретической науки лучше всего попытаться выяснить, как дополнить эту головоломку минимальным количеством новых понятий. Мы уже добавили в картину Вселенной тёмную материю и тёмную энергию и только сейчас обнаружили, что, возможно, этого недостаточно для решения проблем. Если добавить ещё один компонент — а существует множество возможных воплощений того, как он может проявиться, — существование некой формы ранней тёмной энергии может окончательно привести теорию Вселенной в равновесие. Нет гарантий, что у нас это получится – но поскольку имеющиеся доказательства уже нельзя игнорировать, пора задуматься о том, что во Вселенной может быть что-то ещё.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
![](https://habrastorage.org/webt/tp/sk/z-/tpskz-7w7a8e74isoowuep40xeg.png)
Комментарии (27)
kauri_39
27.08.2024 14:12+2По-моему, наиболее точное объяснение - это второй вариант: "могло произойти небольшое изменение кривизны Вселенной".
Кривизна пространства-времени нашего объёма Хаббла зависит от количества материи в нём - от её концентрации. А она падает по мере расширения всей Вселенной и нашего объёма Хаббла. Поэтому уменьшается его кривизна и увеличивается скорость расширения. Поэтому раннее значение постоянной Хаббла получается 67, а позднее значение - 74.
vanxant
27.08.2024 14:12+4Во-первых, у космического расширения нет точки отсчёта; Вселенная расширяется одинаково для всех наблюдателей во всех местах
Это, конечно же, не так. Как минимум, для всех наблюдателей есть "начало отсчёта скоростей" - в которой реликтовое излучение изотропно (одинаково во всех направлениях). Аккуратно посчитанный дифференциал по CMB даёт направление на центр Большого Взрыва. Точные координаты при этом всё ещё не известны из-за неизвестных констант интегрирования.
Дальше, использование сверхновых типа Ia в качестве стандартных свечей в очень далёком прошлом сомнительно. Потому что у них был другой химический состав, и, соответственно, другая энергия взрыва.
Ну и вообще, наблюдения Уэбба показывают, что мы очень плохо пониманием звёздную эволюцию в начале жизни Вселенной. Поэтому все оценки класса "возьмём как сейчас и будем считать, что 10 млрд лет назад было так же" подлежат глубокому пересмотру.
Ogoun
27.08.2024 14:12Если полагать что обычный взрыв ближе по аналогии к большому взрыву, как объяснить однородность распределения материи во вселенной? Разве в этом случае материя не должна расположиться вблизи поверхности сферы которая определяет расширяющуюся границу взрыва? То есть центр можно было бы определить по направлению падения плотности материи.
MasterOgon
27.08.2024 14:12Может ли мне кто-то объяснить, как красное смещение превратилось в факт расширения вселенной, если тут же написано что на него может влиять, к примеру, искривление пространства? По-моему с таким успехом как было предположено расширение и темная материя с энергией, можно было предположить и что-нибудь другое, возможно даже более простое. Например, чем дальше источник света, тем больше на него влияет кривизна. Может быть даже это кривизна в следствии локальных флуктуаций которая накапливается не особо влияя на путь света в целом.
ksbes
27.08.2024 14:12+2То что оно может влиять - не отменяет "основного эффекта". То что риски на линейке (обычной, физической, пластиковой) сдвигаются при изменении температуры - не значит, что её нельзя мерить длину. Только то что эта длина окажется с погрешностями.
И да, в среднем кривизна - она почти нулевая и никакими только флуктуациями превратить жёсткий рентген в радиоволны не получится.
MasterOgon
27.08.2024 14:12Ну не обязательно кривизна. Допустим что то неизвестное, как темная материя к примеру.
Значит, я так понимаю, факт того что галактики разбегаются основан на том, что единственный нам известный эффект, который может объяснить красное смещение, это Доплеровский. Но никаким другим способом мы проверить не можем действительно ли это Доплеровский эффект. Так или нет? Просто хочу разобраться в этом
vanxant
27.08.2024 14:12Нет, Доплер здесь не при чём. Он вызван относительным движением источника и приёмника. Чистый эффект Доплера соответствовал бы равномерному разлёту галактик после взрыва.
Проблема не в том, что галактики разлетаются. Проблема в том, что они разлетаются с ускорением. И тут либо положительная кривизна пространства (они как бы скатываются с горки), либо неведомая отталкивающая сила, действующая исключительно на расстояниях порядка размера Вселенной.
vanxant
27.08.2024 14:12как красное смещение превратилось в факт расширения вселенной
Как наиболее удобный вариант для большинства обладающих властью распределять бюджеты физиков
о на него может влиять, к примеру, искривление пространства
Именно. Более того, бритва Оккама как бы орёт, что ровно так и должно быть. Самое простое объяснение лямбды это то, что у нас замкнутая Вселенная с малой, но почти всюду* положительной кривизной.
Но признание этого факта закрывает тёмную энергию, квантовую космологию и миллиарды, выделенные на поиски мифических частиц этой квантовой энергии (например, супер-камиоканде, AMS-02 и прочие аппараты за миллиарды с околонулевым выхлопом). А упустить из рук миллиарды никак нельзя.
Прим. * почти всюду - эвфемизм, используемый математиками для макроподстановки фразы "за вычетом множества меры нуль"
kauri_39
27.08.2024 14:12Но признание этого факта закрывает тёмную энергию
И что открывает взамен? Разлёт скоплений галактик по инерции в пустоте? Что же будет противодействовать взаимному притяжению вселенской материи?
ksbes
27.08.2024 14:12Что же будет противодействовать взаимному притяжению вселенской материи?
Ну, например, то же что противодействует притяжению всей материи внутри Солнечной системы? Т.е. законы сохранения?
MasterOgon
27.08.2024 14:12Ну тогда это высшая лига мошенников, всегда могут сказать мы ошибались.
Ну а не может ли эта кривизна быть не на макро уровне, а на уровне квантовых флуктуаций?
Wizard_of_light
27.08.2024 14:12Объяснение через высокую кривизну пространства... Там надо будет теорию инфляции существенно допиливать. Так-то считается, что пространство у нас вот такое хорошее и плоское с самого начала-ещё до возникновения вещества.
net_racoon
27.08.2024 14:12Или как вам такой вариант. В процессе деплоя вселенной, были баги... поэтому пока их правили- скорость немного менялась?
Shkaff
27.08.2024 14:12+4Вернёмся к постоянной Хаббла, H0. Существует два основных способа её измерения.
Существует и третий, концептуально другой: с помощью гравитационных волн. Расстояние черных дыр или нейтронных звезд возможно определить с большой точностью — они работают как стандартные свечи (называются "стандартные сирены"). Только одно измерение, где мы наблюдали одновременно гравитационные волны и свет, позволило нам ограничить H0 в пределах расхождения.
синяя кривая — распределение вероятности исходя из наблюдения ГВ По мере набора статистики, мы можем все больше уточнять значение, и в ближайшие годы будем знать величину H0 в пределах нескольких %, даже если у нас не будет больше таких ярких событий, где мы видим и свет, и гравитационные волны. Ну а если повезет — все случится сильно быстрее.
Когда мы запустим подземный детектор Einstein Telescope и космический детектор LISA в 30х годах, там точность будет уже меньше %.Конечно, это само по себе не решит, в чем проблема с нынешними измерениями, но по крайней мере укажет на "правильное" значение (если, конечно, оно совпадет с одним из нынешних наблюдений).
apxi
А скорее всего и нет никакой темной материи и энергии, просто ученые еще не все знают о природе света и поэтому пытаются натянуть сову на глобус.
net_racoon
А причем тут свет?
ksbes
При том, что "усталость света", как я понимаю. Гипотеза не подтверждённая, но и и не опровергнутая явно , вроде бы?
net_racoon
Ну дык темная материя и без света "нужна". Да и расширение вселенной ускоренное, оно тоже без света работает.
Я не строю из себя эксперта, просто хочу разобраться.
ksbes
Если свет сам по себе смещается в красное со временем - то на Доплера полагаться уже нельзя. Т.е. как минимум расширение вселенной отменяется (а как максимум вообще - вся теория относительности).
А если это происходит по тем же принципам, что и MOND (что было бы логичным) - то отменяется и тёмная материя (по крайней мере основой способ её наблюдения).
Т.е. речь идёт о том что неправильно, вы, ребята астрономы, космос мерите!
net_racoon
Щас возможно глупость скажу, но разве расширение вселенной нельзя наблюдать просто за счет уменьшения размеров объектов? Именно наблюдать, а не измерять скорость? Или вы имеете в виду факт ускоренного расширения?
А какой основной способ наблюдения? Вы про скорости вращения звезд вокруг центра галактики? Но есть же еще "скрытая" масса при столкновении?
ksbes
Это как? В реальном времени наблюдать как галактика "превращается в точку"? Боюсь это слишком медленный (в относительных величинах) процесс, что бы его можно было бы как-то засечь за разумное время. Мы слишком быстро живём по "галактическим" и тем более по "вселенским" меркам.
Вот через пару тысяч лет - это да. Но к тому времени скорее всего над всеми нашими теориями будут насмехаться за наивность и ограниченность. И вероятно это делать будут уже не люди в современном понимании ...
net_racoon
А там же чем дальше галактика, тем она быстрее "убегает" в т.ч. и быстрее скорости света. Или это прям сильно далеко что нам отсюда не видно?
ksbes
Ну и прикинет скорость изменения углового размера галактики удаляющуюся от нас со скоростью света на расстоянии 10 млрд. св. лет. и сравните с разрешающей способностью телескопов. Там хоть как-то засечь изменения получится как раз через тысячи-миллионы лет.
Gradiens
Вы забыли сказать, что скорее всего еще Земля - плоская
tetelevm
Вот хорошая статья от @Shkaff на тему, почему вообще приходится вводить тёмную материю.