Долгожданное исследование скорости космического расширения говорит о том, что, когда речь заходит о хаббловской напряжённости, космологи всё ещё что-то упускают.
Почти сто лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная становится больше. Однако современные измерения скорости её расширения расходятся во мнениях, что говорит о том, что наше понимание законов физики может быть ошибочным. Все ожидали, что острое зрение космического телескопа им. Джеймса Уэбба поможет найти ответ на этот вопрос. Но долгожданный анализ наблюдений телескопа, опубликованный в августе 2024, дал лишь новые противоречивые заключения о скорости расширения, составленные на основе данных разных типов, при этом намекнув на возможные источники ошибок, лежащие в основе конфликта.
Две конкурирующие команды возглавили работу по измерению скорости космического расширения, которая известна как постоянная Хаббла, или H0. Одна из них, возглавляемая Адамом Риссом из Университета Джонса Хопкинса, периодически измеряет H0, получая значение, которое примерно на 8 % превышает теоретическое предсказание того, как быстро должен расширяться космос — исходя из известных составляющих Вселенной и управляющих им уравнений физики. Это расхождение, известное как хаббловская напряжённость, говорит о том, что в теоретической модели космоса чего-то не хватает — какого-то дополнительного ингредиента или эффекта, ускоряющего космическое расширение. Такой ингредиент может стать ключом к более полному пониманию Вселенной.
Весной этого года Рисс и его команда опубликовали результаты последнего измерения H0 на основе данных «Уэбба», получив значение, согласующееся с их предыдущими оценками.
Но в течение многих лет конкурирующая команда под руководством Венди Фридман из Чикагского университета призывала к осторожности, утверждая, что необходимы более точные измерения. Измерения H0, проведённые её командой, неизменно оказывались ближе к теоретическому предсказанию, чем измерения Рисса, что говорит о том, что хаббловская напряжённость может быть фикцией.
С тех пор как в 2022 году телескоп «Уэбб» начал принимать данные, астрофизическое сообщество ожидало многостороннего анализа Фридман, используя наблюдения телескопа за тремя типами звёзд. Теперь результаты получены: два типа звёзд дают оценки H0, которые соответствуют теоретическому предсказанию, а третий — тот же тип звёзд, который использует Рисс, — соответствует более высокому значению H0, предложенному его командой.
То, что три метода расходятся во мнениях, «не говорит нам о фундаментальной физике». «Это говорит о том, что в одном или нескольких методах определения расстояний есть систематическая ошибка», — сказала Фридман
Результаты Фридман были представлены в «Астрофизический журнал», но ещё не прошли официальное рецензирование, когда сторонние исследователи анонимно проверяют данные и анализ. Сол Перлмуттер, лауреат Нобелевской премии, космолог из Калифорнийского университета в Беркли, которому показали препринт работы команды до его публикации, сообщил журналу Quanta, что результаты предполагают, что «наша хаббловская напряжённость может существовать только в рамках измерений, основанных на звёздах. Это та напряжённость, которую мы действительно должны пытаться разрешить, а не изобретать новые [космологические] модели».
Рисс, ознакомившись с препринтом, рассказал Quanta, что его беспокоит небольшой набор сверхновых, который команда Фридман использовала на одном из этапов анализа, что, по его словам, может исказить результаты. «Новые измерения прекрасны и фактически находятся в отличном согласии с теми же измерениями, полученными... несколько лет назад нашей группой, так что измерения расстояний, кажется, находятся под контролем, — сказал он. — Однако я опасаюсь, что это исследование столь малой выборки сверхновых даёт несколько искажённое представление о значении постоянной Хаббла».
Результаты были получены после нескольких месяцев закулисной драмы, когда Фридман сначала думала, что её анализ уничтожил хаббловскую напряжённость, но потом увидела, что она снова ожила. «Это было действительно... не скучно, я бы так сказала», — говорит она.
Всё идёт своим чередом. По словам Перлмуттера, «у постоянной Хаббла есть такая долгая и славная традиция — быть невозможной проблемой на протяжении десятилетий».
Противоречивая Вселенная
Самая сложная часть измерений космического расширения — это измерение расстояний до объектов в космосе. Американский астроном Генриетта Ливитт впервые обнаружила способ сделать это в 1912 году с помощью пульсирующих звёзд, называемых Цефеидами. Эти звёзды мерцают с частотой, которая связана с их собственной светимостью (и, следовательно, из одного можно вычислить другое). Узнав собственную яркость Цефеиды, можно сравнить её с видимой яркостью, чтобы оценить, насколько далеко от неё находится её галактика.
Эдвин Хаббл использовал метод Ливитта для измерения расстояний до нескольких галактик с Цефеидами, и в 1929 году обнаружил, что галактики, расположенные дальше от нас, удаляются быстрее. Это означает, что Вселенная расширяется. Хаббл определил скорость расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), то есть две галактики, разделённые 1 Мпк, или примерно 3,2 миллиона световых лет, разлетаются со скоростью 500 км/с.
Это оказалось ужасно далеко от истины.
Измерения H0 улучшались по мере того, как астрономам удавалось лучше калибровать зависимость между частотой пульсаций Цефеид и их светимостью. Тем не менее, подход имел принципиальные ограничения, потому что яркость Цефеид имеет пределы. Чтобы измерить расстояние до далёких галактик во всей необъятной Вселенной, учёным нужен был новый подход.
В 1970-х годах исследователи начали использовать Цефеиды для калибровки расстояний до ярких сверхновых, что позволило провести более точные измерения H0. Как тогда, так и сейчас, две исследовательские группы, используя сверхновые, привязанные к Цефеидам, пришли к расходящимся значениям в 50 км/с/Мпк и 100 км/с/Мпк. «Не было никакого консенсуса; мнения были полностью полярными», — говорит Джордж Эфстатиу, астрофизик из Кембриджского университета.
Запуск космического телескопа «Хаббл» в 1990 году дал астрономам новый, чёткий взгляд на Вселенную. Фридман возглавила многолетнюю кампанию наблюдений с помощью «Хаббла», и в 2001 году она и её коллеги объявили о значении скорости расширения в 72 км/с/Мпк, оценив погрешность не более, чем в 10%.
Рисс, который является одним из лауреатов Нобелевской премии за открытие тёмной энергии, включился в игру по космическому расширению несколько лет спустя. В 2011 году его команда опубликовала значение H0, равное 73, с погрешностью в 3 %.
Вскоре после этого космологи впервые применили другой метод. В 2013 году они использовали наблюдения телескопа «Планк» за светом, оставшимся от ранней Вселенной, чтобы определить детальную форму и состав первобытного космоса. Затем они подключили эти компоненты к общей теории относительности Эйнштейна и прокрутили теоретическую модель почти на 14 миллиардов лет вперёд, чтобы предсказать текущее состояние Вселенной. Согласно этой экстраполяции, в настоящее время космос расширяется со скоростью 67,4 км/с/Мпк, с погрешностью менее 1%.
Измерения команды Рисса, даже несмотря на повышение точности, остались на уровне 73. Это более высокое значение означает, что галактики сегодня разлетаются быстрее, чем это должно быть согласно теории. Так родилась хаббловская напряжённость. «Если это реальная особенность Вселенной, то это говорит нам о том, что мы что-то упускаем в космологической модели», — говорит Рисс.
Это недостающее нечто станет первым новым компонентом космоса, обнаруженным после появления тёмной энергии. Теоретики строят догадки о его природе: возможно, это дополнительная форма энергии отталкивания, которая существовала в ранней Вселенной в течение короткого времени? А может, это первобытные магнитные поля, возникшие во время Большого взрыва?
А может быть, чего-то не хватает не Вселенной, а нам.
Способы наблюдений
Некоторые космологи, включая Фридман, подозревают, что в расхождении виноваты непризнанные ошибки.
Самый распространённый аргумент в этой области — то, что звёзды Цефеиды живут в дисках более молодых галактик, в областях, переполненных звёздами, пылью и газом. «Даже с прекрасным разрешением [Хаббла] вы не увидите одиночную Цефеиду, — говорит Эфстатиу, — вы увидите её наложенной на другие звёзды». Такое скопление усложняет измерения яркости.
Когда в декабре 2021 года был запущен телескоп «Уэбб», размером сравнимый с домом, Рисс и его коллеги обратились к его мощной инфракрасной камере, чтобы пробить пыль в переполненных областях, где живут Цефеиды. Они попытались проверить, так ли сильно влияет столпотворение звёзд на измерения, как утверждали Фридман и другие исследователи.
Сравнив свои новые числа с расстояниями, рассчитанными по данным телескопа «Хаббл», учёные увидели феноменальную согласованность. «Это говорит нам о том, что работа, проделанная с «Хабблом», по-прежнему хороша», — сказал Гагандип Ананд, член команды, работающей в Научном институте космического телескопа.
Последние результаты, полученные с помощью «Уэбба», подтверждают значение H0, которое они измерили с помощью «Хаббла» несколько лет назад: 73,0, плюс-минус 1,0 км/с/Мпк.
Однако, учитывая опасения по поводу скученности, Фридман уже обратилась к альтернативным звёздам, которые могли бы служить индикаторами расстояния. Они встречаются на окраинах галактик, вдали от больших толп.
Один из типов таких звёзд — «звёзды из вершины ветви красных гигантов», или TRGB. Красный гигант — это пожилая звезда с раздутой атмосферой, ярко светящаяся в красном диапазоне. Старея, красный гигант в конце концов воспламеняет гелий в своём ядре. В этот момент температура звезды и её яркость внезапно падают, говорит Кристен Маккуинн, астроном из Научного института космического телескопа, возглавлявшая проект телескопа «Уэбб» по калибровке измерений расстояний с помощью TRGB.
В типичной галактике много красных гигантов. Если вы построите график зависимости яркости этих звёзд от их температуры, то увидите точку, в которой их яркость падает. Популяция звёзд непосредственно перед этим падением — хороший индикатор расстояния, потому что в каждой галактике эта популяция будет иметь схожий разброс светимостей. Сравнивая наблюдаемую яркость этих звёздных популяций, астрономы могут оценить относительные расстояния.
(При любом методе физики должны определить абсолютное расстояние хотя бы до одной «якорной» галактики, чтобы откалибровать всю шкалу. В качестве «якоря» Рисс, Фридман и другие группы используют необычную близлежащую галактику, абсолютное расстояние которой было определено геометрически с помощью эффекта, похожего на параллакс).
Однако использовать TRGB в качестве индикаторов расстояния сложнее, чем использовать Цефеиды. Маккуинн и её коллеги использовали девять волновых фильтров телескопа «Уэбб», чтобы точно выяснить, как их яркость зависит от цвета.
Астрономы также начинают обращаться к новому индикатору расстояния: богатым углеродом звёздам-гигантам, принадлежащим к так называемой асимптотической ветви гигантов J-региона (JAGB). Эти звёзды находятся вдали от яркого диска галактики и излучают много инфракрасного света. По словам аспирантки Фридман Эбигейл Ли, технология наблюдения за ними на больших расстояниях была недоступна до эпохи «Уэбба».
Фридман и её команда подали заявку на время работы телескопа «Уэбб», чтобы наблюдать TRGBs и JAGBs наряду с более известными индикаторами расстояния, Цефеидами, в 11 галактиках. «Я убеждённая сторонница различных методов», — сказала она.
Исчезающее решение
13 марта 2024 года Фридман, Ли и остальные члены их команды сели за стол в Чикаго, чтобы раскрыть то, что они скрывали друг от друга. В течение предыдущих месяцев они разделились на три группы. Перед каждой из них стояла задача измерить расстояние до 11 галактик, участвующих в исследовании, используя один из трёх методов: Цефеиды, TRGBs или JAGBs. В этих галактиках также появляются сверхновые соответствующих видов, поэтому их расстояния могут служить калибровкой расстояний до сверхновых во многих других галактиках, расположенных гораздо дальше. Скорость удаления от нас этих галактик (которую легко определить по их цвету), делённая на их расстояние, даёт H0.
Три группы рассчитали свои измерения расстояний с уникальным случайным смещением, добавленным к данным. Когда они встретились лично, они убрали каждое из смещений и сравнили результаты.
Все три метода дали одинаковые расстояния с погрешностью в 3%. Это было «просто потрясающе», — сказала Фридман. Команда рассчитала три значения H0, по одному для каждого показателя расстояния. Все они оказались в пределах теоретического предсказания 67,4.
В тот момент казалось, что хаббловская напряжённость устранена. Но когда они углубились в анализ, чтобы записать результаты, то обнаружили проблемы.
С анализом JAGB всё было в порядке, а вот с двумя другими — нет. Команда заметила большие погрешности в измерении TRGB. Они попытались уменьшить их, включив больше TGRB. Но когда они это сделали, то обнаружили, что расстояние до галактик оказалось меньше, чем они думали сначала. Это изменение дало большее значение H0.
В анализе Цефеид команда Фридман обнаружила ошибку: примерно у половины Цефеид поправка на скученность была применена дважды. Исправление этой ошибки значительно увеличило полученное значение H0. Это «привело нас к большему согласию с Адамом [Риссом], что должно сделать его немного счастливее», — сказала Фридман. Хаббловская напряжённость воскресла.
Однако Фридман подозревает, что измерение H0 по цефеидам не так надёжно, как другие. Оно чрезвычайно чувствительно к предположениям, например, об элементном составе Цефеид и соседстве каждой звезды. Пыль в галактических дисках, где живут Цефеиды, может поглощать их свет и приглушать его. Инфракрасное зрение «Уэбба» проникает сквозь пыль, но астрономам необходимо знать, сколько пыли поглощает свет, чтобы сделать поправку на это. Для этого Фридман и её коллеги обратились к архивным данным телескопа «Хаббл», которые фиксируют «глубину пыли», но они не такого высокого разрешения, как данные «Уэбба». По её словам, это вносит неопределённость в расчётные расстояния.
Возникла и другая проблема. 11 галактик, изученных с помощью телескопа Уэбба, — это ближайшие к Земле галактики, в которых присутствуют все четыре соответствующих объекта (JAGBs, TRGBs, Цефеиды и соответствующий тип сверхновой). Но, по словам Фридман, сверхновые в этих галактиках казались изначально ярче, чем в более далёких галактиках. Рисс и его коллеги также опасаются, что эта выборка может вводить в заблуждение и быть необъективной. В любом случае, это ещё одна загадка, которую космологам ещё предстоит понять, и она также влияет на значение H0. «Я думаю, что в ближайшие несколько лет нам всем придётся сосредоточить своё внимание именно на этом», — сказала Фридман.
В их работе приводятся три отдельных значения H0. Измерение JAGB — то, которое было выполнено полностью вслепую, без последующей коррекции — даёт 67,96 км/с/Мпк, плюс-минус 1,71 км/с/Мпк. Это как раз совпадает с теоретическим предсказанием и, похоже, подтверждает стандартную модель космологии.
TRGBs дают значение 69,85 с аналогичной погрешностью. Полученный результат также снимает хаббловскую напряжённость.
Метод Цефеид даёт более высокое значение H0 — 72,05, но с большим субъективизмом: различные предположения о характеристиках звёзд привели к тому, что значение варьировалось от 69 до 73. Высокая граница диапазона совпадает с измерениями Рисса, а на низкой границе хаббловская напряжённость практически исчезает.
«Я не думаю, что мы можем просто сказать, что постоянная Хаббла равна 73, — сказала Фридман. — Я думаю, это первая проверка шкалы расстояний Цефеид. И мы не получаем одинаковых ответов, когда проверяем Цефеиды. Поэтому я думаю, что это важно». JAGBs и TRGBs служат проверкой для более устоявшегося метода.
Объединение методов и неопределённостей дало среднее значение H0 69,96 с погрешностью 4%. Эта погрешность совпадает как с теоретическим предсказанием скорости космического расширения, так и с более высоким значением, полученным командой Рисса.
«Я думаю, у нас ещё нет доказательств, чтобы однозначно заключить, что существует [хаббловская] напряжённость, — сказала Фридман. — Я просто не вижу этого».
«Все зависит от того, удастся ли отследить все эти систематические ошибки», — говорит Перлмуттер.
Напряжённости и разрешения
Космический телескоп Джеймса Уэбба также открывает дополнительные возможности для измерения H0. Например, астрономы находятся на ранних стадиях использования того, насколько пёстрой выглядит галактика, в качестве косвенного показателя её расстояния. Идея проста: близкие галактики выглядят комковатыми, потому что вы можете различить в них отдельные звёзды, в то время как более удалённые галактики выглядят более гладкими. «По сути, это способ превратить скученность в меру расстояния», — говорит Ананд, который занимается этим проектом в дополнение к работе с Риссом.
Другой метод также даёт некоторую надежду: массивное скопление галактик действует как искривлённое увеличительное стекло, изгибая и увеличивая изображение объекта позади него и создавая несколько изображений одного и того же объекта, поскольку его свет проходит несколько путей. Астроном из Университета Аризоны Бренда Фрай возглавляет программу наблюдения за семью скоплениями с помощью телескопа «Уэбб». Когда в прошлом году Фрай и её коллеги посмотрели на своё первое изображение, сделанное телескопом, на котором было видно массивное скопление галактик G165, то сказали: «Что это за три точки, которых раньше не было?». Точки оказались тремя отдельными изображениями одной и той же сверхновой, которая взорвалась за скоплением.
После многократных наблюдений за изображением они смогли вычислить разницу между временем прихода трёх линзированных изображений сверхновых. Временная задержка пропорциональна постоянной Хаббла и может быть использована для расчётов. «Это одномоментное измерение H0, — сказала Фрай, — что делает его абсолютно независимым». Они получили скорость расширения 75,4 км/с/Мпк, хотя и с большой погрешностью в +8,1 или -5,5 км/с/Мпк. Фрай рассчитывает уточнить эти погрешности ещё через несколько лет подобных измерений.
Команды Рисса и Фридман также ожидают, что следующие несколько лет наблюдений «Уэбба» позволят им найти ответ с помощью традиционных звёздных методов.
«С улучшением данных эта проблема в конечном итоге будет решена, и я думаю, довольно быстро, — сказала Фридман. — Мы докопаемся до сути».
Комментарии (44)
katok535
07.09.2024 10:29+3Одна из них, возглавляемая Адамом Риессом (откроется новая вкладка) из Университета Джонса Хопкинса
вот этот косяк, оставшийся от исходника, уберите, или установите гиперссылку, как было в исходнике.
philosoph
07.09.2024 10:29+19Если бы до того я не прочитал мегабайты астрономического научпопа, то вообще бы не понял, о чём тут написано. "гигантская ветвь", это бесподобно! Не, ну правда... Я понимаю, что нейронки и Гугл-транслейт со товарищи безмерно облегчают труд переводчика, но всё же, публикация их в первозданном виде, без литературной правки, это свинство по отношению к читателю! Тем более на таком уважаемом ресурсе, как Хабр, который позиционирует себя как, прежде всего, собрание профессионалов.
oleg_rico
07.09.2024 10:29+3Ясно одно-без эксперимента, который пока невозможен, все эти определения расстояния так и останутся теоретическими изысканиями.
TimsTims
07.09.2024 10:29+1Судя по тексту, у них там не просто научные изыскания, а прям научно-политическая баталия - разные группы спорят кто из них прав, никто не хочет уступать, каждый боится оказаться не правым.
MishaRash
07.09.2024 10:29+3Именно эксперимент по определению космологических расстояний звучит совсем уж фантастически.
Основная проблема в том, что даже свет из других галактик приходит с задержкой на порядки длиннее человеческой жизни. А для эксперимента дотуда нужно сначала добраться, произвести контролируемое воздействие и дождаться, пока информация дойдёт обратно.
Кроме того, эффект должен быть заметен. Нужно либо крайне масштабное воздействие (например, контролируемый взрыв сверхновой, или постройка линейки галактического размера), либо очень сильно повышенная чувствительность для обнаружения.
oleg_rico
07.09.2024 10:29Именно эксперимент по определению космологических расстояний звучит совсем уж фантастически.
Для начала проверить бы расстояние хотя бы до ближайших звёзд.
Хотя это тоже выглядит фантастически но по крайней мере нужно представить как это сделать.
MishaRash
07.09.2024 10:29+1Для начала проверить бы расстояние хотя бы до ближайших звёзд.
Так вы сомневаетесь в методе параллакса тоже? Я не встречал идей, что с ним может быть принципиально не так, хотя это, конечно, не значит, что ошибки быть не может — о ней мог вообще ещё никто не догадаться.
Тогда стоит спуститься на ступеньку ниже. Расстояния внутри Солнечной системы измеряются с помощью радара: посылается радиоволна в сторону интересующего объекта и затем принимается отражённая от него. Это достаточно надёжно, или стоит ещё более прямо измерить, буквально линейку протянуть, например?
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29+1Это круто, мне ещё с первых лет знакомства с астрономией внутренний голос каждый раз вселял сомнения, когда я видел что-то про "измерение расстояния по цифеидам" или "по стандартным свечам".
Ну как можно пытаться построить точные модели вселенной по эмпирическим данным в которых нет уверенности? Там бывают цифеиды всякие и те, которые стандартным правилам для периодических звёзд не подчиняются. Это автоматом значит, что и на те которые, вроде как, должны правилу соотношения периода и светимости подчиняться, могут иметь другие реальные значения.
Уж лучше бы придумали как точно измерить по параллаксу что-то более далёкое, например с помощью большой базы и уже это использовали для калибровки...
MishaRash
07.09.2024 10:29+1Ну как можно пытаться построить точные модели вселенной по эмпирическим данным в которых нет уверенности?
Так вы предлагаете не пытаться? Или выбросить все данные, в которых нет уверенности? В последнем случае, если начать глубоко копать, их может остаться слишком мало.
Уж лучше бы придумали как точно измерить по параллаксу что-то более далёкое, например с помощью большой базы и уже это использовали для калибровки...
База уже диаметр земной орбиты. Сильно дальше прибор поместить крайне сложно — мало практического опыта, да и неточности орбиты вырастут. Основные улучшения в точности измерения углов. До аппарата Gaia параллаксы были измерены у звёзд только в окрестностях Солнца внутри Млечного пути, а сейчас и в Большом, и в Малом Магеллановых облаках.
Однако интересно то, что в сильно более далёкой галактике NGC 4258 есть мегамазер, который также позволяет измерить расстояние относительно прямым, геометрическим методом. Так что эта галактика используется как независимый "якорь" для калибровки стандартных (точнее, стандартизируемых) свечей.
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29Так вы предлагаете не пытаться?
Конечно нет, что за глупость.
если начать глубоко копать, их может остаться слишком мало
Ну так надо работать на увеличением их количества. А то сейчас получается, что на этой неточной базе строятся далеко идущие выводы, которые ещё и противоречат друг другу. Вроде и быстро расширяется вселенная, а вроде и не очень. А может и тёмной материи, на поиск которой потратилось столько времени, не существует вовсе и вся эта загадка из-за фундаментальной ошибки в методе измерения расстояний. Это утрированный пример, но полагаю ход мысли выразил.
Про диаметр земной орбиты для измерений я читал, да. Можно ведь ещё увеличить, если на орбиту Марса, например, вывести.
Про то что свечи калибруют я тоже в курсе, вот только к этому процессу тоже есть вопросы. Какой смысл выполнять "калибровку" чего-то, о чём устройстве мы почти ничего не знаем? Ведь нет единой модели, которая бы объясняла физику всех типы звёзд, все эти измерения чисто эмпирические. Окажется, что часть из них, на самом деле, не попадает в стандартизированные кривые светимость-размер и всё, считай половина выводов в помойку.
MishaRash
07.09.2024 10:29+1Ну так надо работать на увеличением их количества.
Так и работают над увеличением количества методов. Например, JAGB только в этом году впервые использовали как ступеньку лестницы расстояний между геометрическими методами и сверхновыми типа Ia.
А то сейчас получается, что на этой неточной базе строятся далеко идущие выводы, которые ещё и противоречат друг другу.
По-моему, в научной среде (практически) все понимают, что противоречие вполне может быть вызвано ошибкой в методике (хотя необходимость в новой физике для его объяснения, безусловно, намного интереснее), и что если даже такого рода проблему не получается себе представить, это не значит, что её нет. И от (пока) неведомой ошибки в принципе не защищён ни один метод, даже тот, который кажется совершенно строгим сейчас.
Потому весьма разумно звучит мнение Венди Фридман, что для заявления о напряжении Хаббла на уровне 5 сигма нужны экстраординарные доказательства, которых пока нет.
Про то что свечи калибруют я тоже в курсе, вот только к этому процессу тоже есть вопросы. Какой смысл выполнять "калибровку" чего-то, о чём устройстве мы почти ничего не знаем? Ведь нет единой модели, которая бы объясняла физику всех типы звёзд, все эти измерения чисто эмпирические.
Я бы не сказал, что со стандартными свечами настолько всё плохо. Фундаментальная основа зачастую всё же есть: у цефеид период колебаний должен быть связан с плотностью (т.е. массой и размером); у сверхновых типа Ia похожая светимость из-за предела Чандрасекара; ветвь красных гигантов предсказывается моделями звёздной эволюции; JAGB — настолько красные и яркие звёзды, что не известны другие механизмы их появления, кроме всплывание углерода из синтезирующей оболочки на поверхность (но тут стоит вспомнить про неведомые ошибки).
Окажется, что часть из них, на самом деле, не попадает в стандартизированные кривые светимость-размер и всё, считай половина выводов в помойку.
Но проблемы, конечно, есть. Во-первых, стандартные свечи определённого типа нужно хорошо обнаруживать и правильно классифицировать.
Во-вторых, для повышения точности нужны поправки, которые становятся всё более и более эмпирическими. Например, давно известное соотношение Филлипса между абсолютной светимостью и скоростью затухания сверхновых типа Ia до сих пор фундаментально не понято.
MishaRash
07.09.2024 10:29Про диаметр земной орбиты для измерений я читал, да. Можно ведь ещё увеличить, если на орбиту Марса, например, вывести.
На орбите Марса база увеличится менее чем вдвое. Т.е., может быть, получится достать на сотню килопарсек вместо 40-60 (Магеллановы облака). А для измерений локальной постоянной Хаббла стоит начинать с ~40 мегапарсек, чтобы исключить пекулярные скорости в близких скоплениях и сверхскоплениях. Хотя, конечно, хорошо бы получить геометрические "якоря" для калибровки стандартных свечей в ещё нескольких галактиках-спутниках Млечного пути.
Более важно может быть то, что точность измерений угловых координат звёзд на орбите Марса может существенно упасть за счёт менее понятной орбиты, воздействия Юпитера или чего-то ещё. Gaia на самом деле находится не на земной орбите, а в точке Лагранжа L2 системы Земля-Солнце (ради большей стабильности, насколько я понимаю), которая, правда, не сильно дальше.
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29А что, орбита Марса разве ещё точно не измерена?
Понятно что он относительно небольшой и на его видимо могут другие планеты влиять... Тогда отправлять куда-нить в лагранжиан Юпитера, он-то стабильный должен быть (правда там поди куча мусора)
MishaRash
07.09.2024 10:29С Юпитером база увеличивается раз в пять. По-прежнему может дать больше "якорей" для калибровки, но расстояния на два порядка меньше, чем нужно для локальных измерений постоянной Хаббла.
В то время как мы даже в точку Лагранжа L2 системы Земля-Солнце, на полтора миллиона километров, телескопы запускаем со скрипом, чуть ли не каждый — большое событие.
Sergevl
07.09.2024 10:29Окажется, что часть из них, на самом деле, не попадает в стандартизированные кривые светимость-размер и всё, считай половина выводов в помойку
Учёным тоже кушать хочется, независимо от того что там на самом деле в далёкой галактике. Галактика далеко, а кушать каждый день нужно кому три раза а кому и все пять.
Sergevl
07.09.2024 10:29+4Вкратце о чем скандал с телескопом Джеймс Вэбб.
Астроном Хаббл описал покраснение света в зависимости от расстояния до галактик. Чем дальше, тем краснее.
Никаким образом не привязывал это к расширению вселенной.
Расширение вселенной было придумано Фридманом для того чтобы подставить костыль спорной и непризнанной ввиду ее физической бессмысленности, теории относительности, согласно которой стационарная вселенная является неустойчивой и не может существовать.
Чтож, тем хуже для вселенной, если она не описывается теорией относительности:
Ее решено было взорвать, чтобы наблюдаемые факты соответствовали теории относительности..
По всем расчетам релятивистов вселенная должна была взорваться 20 миллиардов лет назад.
Телескоп Джеймс Вэбб в своем инфракрасном канале должен был увидеть то, чем являлись галактики через например 500 миллионов лет после большого взрыва, то есть некие зародыши галактик.
То есть свет от этих галактик, находящихся на краю видимой вселенной настолько сдвинулся в инфракрасную часть спектра, что стал не виден в обычный телескоп, нужен был инфракрасный. Вот для того чтобы посмотреть на галактики, свет от которых шел почти столько сколько же существует вселенная по расчетам релятивистов и адептов большого взрыва, нужен был инфракрасный телескоп.
Его, телескоп, сделали, вывели на орбиту, и оказалось что галактики, которые согласно модели большого взрыва только образовались или образовались по их расчетам, ещё до большого взрыва, никак не могли по их же, релятивистов убеждениям, быть такими как их увидел телескоп Джеймс Вэбб.
А оказалось что телескоп увидел точно такие же спиральные галактики, как мы видим вблизи нас.
И теперь, для того чтобы спасти теорию большого взрыва, придется придумать очередную теорию, видимо придется подкручивать скорости расширения пространства.
И теперь интересный вопрос. Если пространство расширяется вместе с нами, а свет распространяется в пространстве, и длина его волны не изменится со временем, относительно пространства, то тогда должно произойти синее смещение. То есть пространство раздулось, а свет нет, и длина его волны уменьшается со временем относительно расширяющегося пространства.
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29+1Это каким образом при увеличении пространства должно получиться "синее смещение"?
Sergevl
07.09.2024 10:29Очень просто. Согласно современной космологии, во время БВ взорвалось само пространство, и начало расширяться. Вопросы в чем оно расширяется опустим в виду невозможности на них ответить достоверно и проверить. То есть вчера расстояние между звёздами было 100*500 миллиардов км, а завтра стало 101*500 миллардов км. А так как пространство изотропно и одинаково, то значит и расширяется оно изотропно и одинаково, то есть мы расширяемся вместе с ним. Но световая волна при этом почему то остаётся прежней длины, и вследствии релятивистского эффекта Допплера (а он не такой как классический) ее частота уменьшается и растет длина волны. Происходит красное смещение.
Однако при этом равномерном расширении пространства, должен увеличиваться размер приемника волны, и в результате мы не смогли бы зафиксировать красного смещения, так как наша линейка увеличивается ровно настолько, насколько распухает пространство.
Здесь космологи пришли к мысли, что так не бывает, и решили что хоть все пространство взорвалось, но взорвалось и расширяется оно выборочно, только между галактиками. А галактикам не дают разлетаться силы гравитации.
В чем здесь парадокс? В том, что разлетанию бесконечно плотной точки сингулярности эти самые бесконечно большие силы гравитации не могли помешать, хотя "всем известно" что из "черной дыры" "ничего не может вылететь наружу. Итак, бесконечно большие силы гравитации бесконечно плотной и бесконечно малой точки сингулярности не смогли противостоять бесконечно большим силам расширения пространства. То есть у нас есть две бесконечно большие силы, и одна из них больше другой.
Ну да ладно, как то оно же взорвалось, не может же же Эйнштейн с Фридманом ошибаться? Миллионы учёных во всем мире миллион раз доказали теорию относительности.
Так вот вернёмся к расширению вселенной.
Несмотря на ее расширение, световая волна остаётся прежней длины, то есть она становится короче относительно расширившегося за ее время распространения пространства.
Поэтому, мы должны наблюдать синее смещение.
Итак, у нас есть уже три пространства: в первом из них расширяется наше второе пространство в результате большого взрыва, а в третьем которое расширяется вместе со вторым распространяется световая волна, которая не расширяется относительно этого третьего пространства.
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29Понял, у вас не только со школьным курсом проблемы, но и с банальной логикой.
Если линейка увеличивалась вместе с пространством и приёмником, то ничего не мешает этому приемнику регистрировать волны меньшей длины.
Sergevl
07.09.2024 10:29И получить синий сдвиг а не красный)
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29Нет, волна ведь растянулась вместе с пространством, она ведь летела до приёмника миллиарды лет.
А приёмник не так долго волну регистрирует, чтоб на нём сказалось расширение, это буквально мгновенный процесс.
MishaRash
07.09.2024 10:29Не совсем так.
Вселенная расширяется равномерно только на крупнейших масштабах, от примерно сотни мегапарсек. Галактики и их скопления имеют плотность на порядки выше средней и потому у них существенно другая динамика. Более бытовые объекты удерживаются электромагнитными силами и не расширяются. А световые волны издалека действительно растягиваются вместе с пространством.
Это всё в "физических" размерах. В общей теории относительности выбор координат произволен. Часто удобно рассматривать координатную сетку, которая расширяется вместе со Вселенной на крупнейших масштабах. С такой точки зрения длина волны света, распространяющегося в пространстве, не меняется. Но вот длина волны света, излучённого в том же физическом процессе, уменьшается, потому что она имеет фиксированный "физический" размер. А красное смещение определяется именно через сравнение длины волны спектральной линии в далёкого объекта и в земном эксперименте (или расчётах на их основе, но точности теории часто не хватает). Для сопоставления нужно пронаблюдать как минимум две линии, т.к. отношения частот/длин волн сохраняются, и они достаточно уникальные.
Sergevl
07.09.2024 10:29Давайте с расширением: некоторые учёные считают, что красное смещение отдаленных галактик вызвано
1 вариант. Разбеганием галактик после гипотетического большого взрыва, всю так тщательно описанную хронологию которого так безжалостно опровергает телескоп Джеймс Вэбб.
Вариант Взрывом самого пространства и его расширением.
Это каноническая версия, которая представляет собой всего лишь современную религиозную сказку о сотворении мира, старая о сотворении за 7 дней 7000 лет назад устарела, а верить во что то надо, так как проверить гипотетическое событие произошедшее от 7 до 27 миллиардов лет по исчислению различных приходов церкви свидетелей большого взрыва, не представляется возможным.
Точно такая же история с черными дырами, которые для многих людей настолько же реальны как воскресения из мертвых Иисусом.
Теперь о волне света. Она видимо волна Шредингера, и расширяется с пространством и не расширяется одновременно. Квантовая релятивистская механика, ёпта. Тут очень тонкие материи.
Если она летит в пространстве а пространство расширяется то волна расширяется вместе с пространством.
Если пространство расширяется а волна нет, то значит волна летит в другом, не расширяющемся пространстве?
Да кстати напомните пожалуйста, как разрешился парадокс близнецов, каждый из которых стареет быстрее своего брата?
Psychosynthesis
07.09.2024 10:29Если длина волны света с одной стороны уменьшается, так как расширилось пространство, а с другой стороны увеличивается из-за скорости разбегания, то вообще все измерения расстояний основанные на красном смещении не имеют смысла, так как эти эффекты могут компенсировать друг друга.
MishaRash
07.09.2024 10:29Ещё раз, в космологии есть две системы координат/точки зрения, удобные в разных контекстах:
Собственная ("физическая"), в которой Вселенная на больших масштабах расширяется равномерно. Долго летящие электромагнитные волны расширяются вместе с пространством. Мелкие объекты, удерживаемые более сильными гравитационными или электромагнитными силами, не расширяются. В фиксированном физическом процессе (например, переходе между энергетическими уровнями атома) получается фиксированная длина волны (если измерять сразу после её излучения).
Сопутствующая, которая расширяется вместе со Вселенной на больших масштабах, так что в ней на больших масштабах движения нет. Долго летящие электромагнитные волны сохраняют сопутствующую длину волны. Сопутствующие размеры мелких объектов (удерживаемых более сильными гравитационными или электромагнитными силами) уменьшаются. Сопутствующая длина волны, получающаяся в фиксированном физическом процессе и измеряемая сразу после излучения, уменьшается со временем.
При измерении красного смещения мы считаем отношение длины волны, пришедшей из далёкой галактики, к длине волны, излучённой в том же процессе здесь и сейчас. С обеих точек зрения первая получается больше второй, т.е. именно красное смещение.
Так что от расширения пространства синего смещения не происходит.
Кроме того, на больших масштабах расширение Вселенной нельзя точно описать исключительно скоростью разбегания. Тогда важно, что испускание светового сигнала происходит существенно раньше его приёма. Для не одновременных объектов нет строгого определения относительной скорости.
Тем не менее, на меньших масштабах есть пекулярные скорости, дополнительные к расширению Вселенной. Они вызваны возмущениями плотности (отклонениями от среднего) и их гравитационными взаимодействиями. Однако пекулярные скорости ограничены по величине несколькими сотнями километров в секунду, и направлены в разные стороны для разных галактик. Поэтому от их эффекта можно избавиться, если не рассматривать относительно близкие галактики (до примерно 40 мегапарсек) и дальше иметь большую выборку, где разные направления усреднятся в нулевую проекцию.
Rek1
07.09.2024 10:29Если пространство распространяется,вместе с нами....т.е.наша Вселенная?тогда она распространяется в чем-то?...доказательством будет встреча с другой Вселенной?,а это трудно(или невозможно) проверить....
Sergevl
07.09.2024 10:29Идём дальше, в рамках краткого FAQ по современной космологии.
Откуда взялась "темная материя" как понятие в космологии?
Наблюдая .галактики, астрономы обнаружили, что ньютоновские законы, сформулированные в как обобщение наблюдений за Юпитером, Марсом, Венерой, Сатурном и спутниками Юпитера, не описывают вращение галактик.
У них было два варианта: переписать ньютоновскую модель, введя некий переменный коэффициент, который становится значимым в масштабе галактик, или же придумать некую невидимую массу, некий балласт, который будучи равномерно распределен по периферии галактики, обеспечит ее вращение согласно старым добрым уравнениям Ньютона. А тот в свою очередь обобщил наблюдения Гюйгенса. Стоял на плечах гигантов. Телескопов со спектрометрами у Гюйгенса не было, галактик он не наблюдал, и Ньютон потому ничего на этот счёт не обобщил.
Выбрали этот путь, и стали считать что в галактиках сосредоточена некая невидимая материя, которая из гипотезы, минуя ее исследования физическими методами, ибо очень далеко, стала для учёных - реальностью.
Помимо темной массы возникла ещё и темная энергия. Но об этом потом.
MishaRash
07.09.2024 10:29Модифицировать гравитацию (или динамику) также пытаются. Но это не так просто совместить со всеми имеющимися данными. Иногда приходится снова вводить тёмную материю.
Sergevl
07.09.2024 10:29+1Теперь вопрос о вращении перигелия Меркурия.
Тут тоже не соблюдаются законы Ньютона, и как не считай, а считали тысячи людей в течении сотен лет, объяснить это никакими ньютоновскими гравитационными факторами не получается.
Самый простой способ ввести коэффициент который бы внес поправку в формулы, и этот коэффициент должен был бы соответствовать результатам наблюдения. То есть подгоночный коэффициент.
Но никто не искал лёгких путей, зря что ли учились математике.
"Общепринято" в "научных" кругах считать что Эйнштейн своей теорией относительности объяснил вращение перигелия Меркурия и закрыл навечно этот вопрос.
Учёные в который раз доказали теорию относительности, теперь все могут спокойно спать и не переживать.
Но по факту, Эйнштейн взял подгоночные формулы из работы другого немецкого астрофизика, который считал, что вращение перигелия вызвано тем, что гравитация, а именно притяжение солнца, имея конечную скорость действия, просто хронически не успевает за быстро движущимся Меркурием.
И вот, Эйнштейн публикует результат чужого труда, не удосужившись как обычно сослаться на источник, а именно подгоночную формулу, которую сильно ругали в момент ее публикации.
И вот теперь любое наблюдение в очередной раз доказывает гениальность Эйнштейна)
MishaRash
07.09.2024 10:29+3Вас почитать — так будто бы и Кеплеру не стоило догадываться до эллипсов. Зачем, если можно было дальше вложенными эпициклами подправлять/подгонять?
И ещё, что вам помешало назвать "другого немецкого астрофизика", а лучше вообще дать ссылку на ту работу и не быть как Эйнштейн?
Sergevl
07.09.2024 10:29Эпициклы с математической точки зрения работали. Просто они оказались неверны физически. И для того чтобы перейти от эпициклов к модели Ньютона, пришлось изобрести телескоп и своими глазами увидеть как спутники Юпитера кружатся вокруг этой планеты.
В 1898 году, за 17 лет до теории Эйнштейна, немецкий учёный Пауль Гербер опубликовал статью с названием «Пространственное и временное распространение гравитации» (есть в сети, можно найти). В ней учёный, зная величину углового смещения перигелия Меркурия за столетие (43 угловые секунды),
MishaRash
07.09.2024 10:29Эпициклы с математической точки зрения работали.
Ну да, математически вполне можно раскладывать движение во вложенные эпициклы. Только теперь неудобно их с теорией связывать.
Просто они оказались неверны физически.
Вот только что такое "неверны физически" и как это так просто увидеть? И вам, похоже, теперь примерно так же легко видно, что (общая) теория относительности была поворотом не туда?
Sergevl
07.09.2024 10:29Вот когда появился первый телескоп, одного взгляда на спутники Юпитера хватало, чтобы понять как устроена солнечная система.
А теория относительности с самого ее начала появления была поворотом не туда где физический абсурд был возведен в ранг некой религиозной секты с запретом ее критики на государственном уровне.
Та же самая история с очень спорной и абсурдной теорией большого взрыва, и неудивительно что эти две теории объединились в одну навязываемую человечеству научную модель ТО/большой взрыв.
MishaRash
07.09.2024 10:29Вот когда появился первый телескоп, одного взгляда на спутники Юпитера хватало, чтобы понять как устроена солнечная система.
Так, по-вашему, всё, что не очевидно, то неправильно?
Кстати, откуда вы это взяли именно про спутники Юпитера? Кеплер сформулировал свои законы на основе наблюдений Марса, проведённых Тихо Браге.
А теория относительности с самого ее начала появления была поворотом не туда где физический абсурд был возведен в ранг некой религиозной секты с запретом ее критики на государственном уровне.
Опуская остальные неподкреплённые оценочные суждения, какой ещё запрет критики на государственном уровне?
Sergevl
07.09.2024 10:29Откуда взял? Из первоисточника скачал "математические начала".... Сэра Исаака Ньютона, издательство британская академия наук, 17...
Ладно вот ссылка
.https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D1%84%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BE%D1%84%D0%B8%D0%B8
Самый что ни на есть первоисточник от автора законов
Ну а второй вопрос:
В СССР как минимум трижды принимались решения о запрете на критику Теории Относительности: 1934 г. - постановление ЦК ВКП(б) по дискуссии о релятивизме, 1942 г. - постановление Президиума АН СССР по теории относительности, принятое на сессии, посвященной 25-летию революции, 1964 г. - закрытое постановление Президиума АН СССР, запрещающее всем научным советам, журналам, кафедрам принимать, рассматривать, обсуждать и публиковать работы, крити-кующие теорию относительности
MishaRash
07.09.2024 10:29И где в "Математических началах натуральной философии" именно про спутники Юпитера и одного взгляда, достаточного, чтобы всё понять? В статье в Википедии они специально не упоминаются, там только "В соответствии со своим методом Ньютон из опытных данных о планетах, Луне и других спутниках выводит закон тяготения."
По вопросу о запрете: вроде как есть сомнения, были ли (закрытые) постановления ЦК ВКП(б) и АН СССР о запрете критики ТО вообще. Кроме того, это точно камень в огород теории относительности, или всё же, может быть, научной бюрократии в СССР?
MishaRash
07.09.2024 10:29В 1898 году, за 17 лет до теории Эйнштейна, немецкий учёный Пауль Гербер опубликовал статью с названием «Пространственное и временное распространение гравитации» (есть в сети, можно найти). В ней учёный, зная величину углового смещения перигелия Меркурия за столетие (43 угловые секунды),
Завершение мысли потерялось, ну да ладно.
Гербер пытался построить запаздывающие потенциалы для гравитации на основе уже тогда устаревшей электродинамики Вебера (она не годится для электромагнитных волн, и уравнения Максвелла уже были). Причём логическую последовательность в его работе далеко не все смогли разгадать. Тем не менее, интересно, что у него получилось то же выражение, что и потом в ОТО.
Но ОТО не сводится к запаздывающим потенциалам, даже если написать аналог уравнений Максвелла с гравитомагнитным полем. Это геометрическая и нелинейная теория, в отличие от электромагнетизма. Различия вроде бы проявляются в гравитационном линзировании. (Тут вы можете рассказать, что Эддингтон не мог измерить углы отклонения во время солнечного затмения в 1919. Там действительно есть ряд причин для сомнений в возможности измерения нужной точности. Но более поздние эксперименты подтвердили ОТО.)
То же выражение, полученное другим путём — это точно не плагиат. В таком случае может быть уместно сослаться на источник для контекста, но это не обязательно. Да и Эйнштейн мог не знать о работе Гербера на тот момент.
Кроме того, некорректно называть результат полноценного вывода подгоночной формулой.
mtk0xf
07.09.2024 10:29Вся теоретическая наука давно напоминает средневековую схоластику. Нет смысла сводить воедино все модели и стараться объяснить "всё". Если модель хоть что-то точно предсказывает, значит, годная. Интересны только эксперименты, какие-то новые расширяющие среду обитания прикладные штуковины. Намного важней исследовать ближайшие астероиды на предмет наличия полезных ископаемых чем излучение отдалённых частей вселенной :)))
lumag
Если она Венди Фридман, то многочисленно встречающееся "Фридмана" -- это ошибка. Ровно как и "сказал Фридман".
SLY_G Автор
Спасибо, исправил