Швидкість, з якою розширюється Всесвіт, відома як постійна Габбла, є одним з фундаментальних параметрів для розуміння еволюції та кінцевої долі космосу. Однак між значенням постійної Габбла, виміряним за допомогою широкого спектру незалежних індикаторів відстані, та її значенням, передбаченим на основі післясвітіння Великого вибуху, спостерігається стійка різниця, яка називається “напруженістю Габбла”.
Космічний телескоп Джеймса Вебба підтвердив, що гостре око телескопа Габбла весь цей час було правильним.
Вік Всесвіту та похибки
Одним із наукових обґрунтувань побудови космічного телескопа Габбл було використання його спостережної потужності для отримання точного значення швидкості розширення Всесвіту. До запуску Габбла в 1990 році спостереження з наземних телескопів давали величезні похибки. Залежно від отриманих значень швидкості розширення, вік Всесвіту міг становити від 10 до 20 мільярдів років.
За останні 34 роки Габбл зменшив це вимірювання до точності менше одного відсотка, розділивши різницю зі значенням віку в 13,8 мільярдів років. Цього вдалося досягти завдяки уточненню так званих “сходів космічних відстаней” шляхом вимірювання важливих віх, відомих як змінні зорі Цефеїди.
Однак значення Габбла не узгоджується з іншими вимірами, які вказують на те, що Всесвіт розширювався швидше після Великого вибуху. Ці спостереження були зроблені за допомогою картографування космічного мікрохвильового фонового випромінювання супутника ESA Planck – плану того, як розвиватиметься структура Всесвіту після того, як він охолоне після Великого вибуху.
Підтвердження від Вебба
Простим рішенням дилеми було б сказати, що, можливо, спостереження Габбла є помилковими внаслідок певної неточності, яка закралася в його вимірювання мірил далекого космосу.
Потім з’явився космічний телескоп Джеймса Вебба, який дозволив астрономам перепровірити результати Хаббла. Інфрачервоні зображення цефеїд, отримані Веббом, збіглися з оптико-світловими даними Габбла. Вебб підтвердив, що гостре око телескопа Габбла було правильним з самого початку, розвіявши будь-які сумніви щодо вимірювань Габбла.
Загадка космології
Суть полягає в тому, що так звана “напруга Габбла” між тим, що відбувається у близькому Всесвіті, і тим, що відбувається у ранньому Всесвіті, залишається для космологів наболілою загадкою. Можливо, у тканину космосу вплетено щось таке, чого ми ще не розуміємо.
Чи потребує вирішення цієї розбіжності нової фізики? Чи це результат помилок вимірювання між двома різними методами, що використовуються для визначення швидкості розширення простору?
Зараз Габбл і Вебб об’єдналися для проведення остаточних вимірювань, що підтверджує тезу про те, що на швидкість розширення впливає щось інше, а не помилки вимірювань.
Темна енергія
“Якщо відкинути помилки вимірювання, залишається реальна і захоплююча можливість того, що ми неправильно зрозуміли Всесвіт”, – говорить Адам Рісс, фізик з Університету Джона Гопкінса в Балтіморі. Рісс є лауреатом Нобелівської премії за те, що у співавторстві відкрив той факт, що розширення Всесвіту прискорюється завдяки загадковому явищу, яке тепер називається “темною енергією”.
Як перехресна перевірка, перше спостереження Вебба у 2023 році підтвердило, що вимірювання Всесвіту, який розширюється, були точними. Однак, сподіваючись зняти “напругу Хаббла”, деякі вчені припустили, що невидимі помилки у вимірюваннях можуть зростати і ставати видимими в міру того, як ми заглядаємо вглиб Всесвіту. Зокрема, зоряне скупчення може систематично впливати на вимірювання яскравості більш віддалених зірок.
Команда SH0ES
Команда SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) під керівництвом Рісса отримала додаткові спостереження за допомогою Вебба об’єктів, які є важливими космічними віхами, відомими як цефеїдні змінні зорі, які тепер можна корелювати з даними Габбла.
“Тепер ми охопили весь діапазон того, що спостерігав Габбл, і можемо з дуже високою впевненістю виключити помилку вимірювання як причину напруженості Габбла”, – каже Рісс.
Перші кілька спостережень Вебба у 2023 році були успішними і показали, що Габбл був на правильному шляху, твердо встановивши вірність перших сходинок так званих сходів космічних відстаней.
Сходинки вимірювань
Астрономи використовують різні методи для вимірювання відносних відстаней у Всесвіті, залежно від об’єкта спостереження. У сукупності ці методи відомі як сходи космічних відстаней – кожна сходинка або метод вимірювання покладається на попередню сходинку для калібрування.
Але деякі астрономи припускають, що, рухаючись назовні вздовж “другої сходинки”, сходи космічних відстаней можуть стати хиткими, якщо вимірювання цефеїд стануть менш точними з віддаленням. Такі неточності можуть виникати через те, що світло Цефеїди може змішуватися зі світлом сусідньої зірки – ефект, який може ставати більш вираженим з віддаленням, оскільки зірки скупчуються на небі, і їх стає важче відрізнити одна від одної.
Складність спостережень полягає в тому, що на попередніх зображеннях Габбла ці віддалені змінні цефеїди виглядають більш скупченими і перекриваються сусідніми зірками на дедалі більших відстанях між нами і галактиками, що їх приймають, що вимагає ретельного врахування цього ефекту. Пил, що заважає, ще більше ускладнює точність вимірювань у видимому світлі. Вебб прорізає пил і природним чином ізолює цефеїди від сусідніх зірок, оскільки його зір гостріший, ніж у Габбла, в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль.
Поєднання Вебба і Габбла
“Поєднання Вебба і Габбла дає нам найкраще з обох світів. Ми бачимо, що вимірювання “Хаббла” залишаються надійними, коли ми піднімаємося далі по сходах космічних відстаней”, – зазначає Рісс.
Нові спостереження Вебба включають п’ять галактик-господарів восьми наднових типу Ia, що містять загалом 1000 цефеїд, і сягають найвіддаленішої галактики, де цефеїди були добре виміряні, – NGC 5468, що знаходиться на відстані 130 мільйонів світлових років.
“Це охоплює весь діапазон, де ми проводили вимірювання за допомогою Габбла. Отже, ми дійшли до кінця другої сходинки сходів космічних відстаней”, – сказав співавтор дослідження Гагандіп Ананд з Наукового інституту космічних телескопів у Балтиморі.
Підтвердження Габблом і Веббом існування “Напруженості Хаббла” налаштовує інші обсерваторії на можливе розв’язання цієї таємниці, включаючи майбутній космічний телескоп Ненсі Грейс Роман і нещодавно запущену місію ЄКА “Евклід”.
Наразі це виглядає так, ніби сходи відстаней, які спостерігали Габбл і Вебб, міцно закріпилися на одному березі річки, а відблиски Великого Вибуху, які спостерігав Планк від початку Всесвіту, міцно закріпилися на іншому березі. Як змінювалося розширення Всесвіту протягом мільярдів років між цими двома кінцевими точками, ми ще не спостерігали безпосередньо.
“Ми повинні з’ясувати, чи не упускаємо ми чогось у тому, як пов’язати початок Всесвіту і сьогоднішній день”, – додає Рісс.
