Анализ, проведенный группой, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с помощью телескопов из массива черенковских телескопов.

Используя самые современные технологии и методы, команда астрофизиков Университета Клемсона добавила новый подход к количественному определению одного из самых фундаментальных законов Вселенной.

Ученые Клемсона Марко Аджелло, Абхишек Десаи, Леа Маркотулли и Дитер Хартманн совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла — единицы измерения, используемой для описания скорости расширения Вселенной.

«Космология — это понимание эволюции нашей Вселенной: как она развивалась в прошлом, что она делает сейчас и что произойдет в будущем, — сказал Аджелло, доцент кафедры физики и астрономии колледжа науки. – Наши знания основаны на ряде параметров, включая постоянную Хаббла, которые мы стремимся измерить как можно точнее. В этой статье наша команда проанализировала данные, полученные как с орбитальных, так и с наземных телескопов, чтобы получить одно из новейших измерений скорости расширения Вселенной.»

Концепция расширяющейся Вселенной была выдвинута американским астрономом Эдвином Хабблом (1889—1953). В начале XX века Хаббл стал одним из первых астрономов, который пришел к выводу, что Вселенная состоит из множества галактик. Его последующие исследования привели к самому известному открытию: галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию до них.

Первоначально Хаббл оценивал скорость расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, при этом мегапарсек был эквивалентен примерно 3,26 миллиона световых лет. Хаббл пришел к выводу, что галактика, находящаяся в двух мегапарсеках от нашей галактики, удаляется в два раза быстрее, чем галактика, находящаяся всего в одном мегапарсеке. Эта оценка стала известна как постоянная Хаббла, которая впервые доказала, что Вселенная расширяется.

С помощью постоянно совершенствующихся технологий астрономы пришли к измерениям, которые значительно отличались от первоначальных расчетов Хаббла — замедление скорости расширения до 50-100 километров в секунду на мегапарсек. А в последнее десятилетие сверхсовременные приборы, такие как спутник Планка, значительно повысили точность первоначальных измерений Хаббла.

В статье, озаглавленной «Новое измерение постоянной Хаббла и содержания вещества во Вселенной с использованием внегалактического фонового ослабления гамма-излучения», группа сравнила последние данные об ослаблении гамма-лучей с помощью космического телескопа Ферми и атмосферных телескопов Черенкова, чтобы разработать свои оценки на основе моделей внегалактического фонового света. Эта новая стратегия привела к измерению, равному приблизительно 67,5 километров в секунду на мегапарсек.

Гамма-лучи — самая высокоэнергетическая форма света. Внегалактический фоновый свет (EBL) — это космический туман, состоящий из всего ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, испускаемого звездами или пылью в их окрестностях. Когда гамма-лучи и EBL взаимодействуют, они оставляют заметный отпечаток — постепенную потерю потока, который ученые смогли проанализировать при формулировании своей гипотезы.


Ученые Марко Аджелло (Marco Ajello), Абхишек Десаи (Abhishek Desai), Леа Маркотулли (Lea Marcotulli) и Дитер Хартманн (Dieter Hartmann) совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла.

«Астрономическое сообщество вкладывает очень большие деньги и ресурсы в создание точной космологии со многими различными параметрами, включая постоянную Хаббла, — сказал Дитер Хартманн, профессор физики и астрономии. — Наше понимание этих фундаментальных констант определило Вселенную такой, какой мы ее знаем сейчас. Когда наше понимание законов становится более точным, наше определение Вселенной также становится более точным, что приводит к новым озарениям и открытиям.»

Распространенной аналогией расширения Вселенной является воздушный шар, усеянный точками, причем каждая точка представляет собой галактику. Когда шар надувается, пятна распространяются все дальше и дальше друг от друга.

«Некоторые теоретики предполагают, что воздушный шар расширится до определенного момента времени, а затем снова схлопнется, — сказал Десаи, аспирант-исследователь на кафедре физики и астрономии. — Но самое распространенное убеждение состоит в том, что Вселенная будет продолжать расширяться до тех пор, пока все не окажется настолько далеко друг от друга, что больше не будет наблюдаемого света. В этот момент Вселенную постигнет холодная смерть. Но нам не о чем беспокоиться. Если это случится, то через триллионы лет.»

Но если аналогия с воздушным шаром правильна, то что именно надувает воздушный шар?

«Материя — звезды, планеты, даже мы — это лишь малая часть общего состава Вселенной, — объяснил Аджелло. — Большая часть Вселенной состоит из темной энергии и темной материи. И мы верим, что это темная энергия «надувает воздушный шар». Темная энергия отталкивает вещи друг от друга. Гравитация, которая притягивает объекты друг к другу, является более сильной силой на локальном уровне, поэтому некоторые галактики продолжают сталкиваться. Но на космических расстояниях темная энергия является доминирующей силой.»

«Замечательно, что мы используем гамма-лучи для изучения космологии. Наша методика позволяет нам использовать независимую стратегию — новую методологию, независимую от существующих, — чтобы измерить важнейшие свойства Вселенной, — сказал Домингес, который также является научным сотрудником в группе Аджелло. — Наши результаты показывают зрелость, достигнутую в последнее десятилетие относительно области высокоэнергетической астрофизики. Анализ, который мы разработали, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с использованием массива телескопов Черенкова, который все еще находится в разработке и будет самым амбициозным массивом наземных высокоэнергетических телескопов когда-либо.»

Многие из этих методов, использованных в настоящей статье, соотносятся с предыдущей работой, проведенной Аджелло и его коллегами. В более раннем проекте, который появился в журнале Science, Аджелло и его команда смогли измерить весь звездный свет, когда-либо испускавшийся в истории Вселенной.

«Нам известно, что фотоны гамма-излучения от внегалактических источников движутся во Вселенной к Земле, где они могут поглощаться при взаимодействии с фотонами звездного света», — сказал Аджелло. — Скорость взаимодействия зависит от длины их путешествия во Вселенной. И длина, которую они проходят, зависит от расширения. Если расширение невелико, они перемещаются на небольшое расстояние. Если расширение велико, они перемещаются на очень большое расстояние. Таким образом, величина поглощения, которую мы измеряли, очень сильно зависела от величины постоянной Хаббла. Что мы сделали, так это изменили ее и использовали, чтобы ограничить скорость расширения Вселенной.»

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!