Астрофизики предложили новый способ измерения скорости расширения Вселенной

Примерно 100 лет назад американский астрофизик Эдвин Хаббл, измеряя расстояния до ближайших галактик, заметил, что в спектре их атомного излучения присутствует красное доплеровское смещение — эффект, при котором электромагнитное излучение увеличивает свою длину волны. На основе полученных данных Хаббл сделал вывод, что галактики удаляются от нас и друг от друга. 

Чуть позже ученый обнаружил, что чем дальше от наблюдателя находится галактика, тем сильнее красное смещение, и, следовательно, тем быстрее она удаляется. Значит, заключил астрофизик, Вселенная расширяется. Стоит понимать, что не сами галактики движутся на скорости в пространстве — движение происходит именно за счет расширения ткани пространства.

В своей работе Хаббл использовал рассчитанный им коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние до объекта со скоростью его удаления. Этот коэффициент принято называть «постоянной Хаббла», однако астрофизик получил его с очень большой погрешностью, потому что часто недооценивал расстояния.

Современные ученые пытаются «уточнить величину постоянной Хаббла», что позволит точно определять расстояния до галактик и их скоплений. Открытие решит ряд фундаментальных задач в космологии, в том числе поможет достовернее рассчитать возраст Вселенной.

Сегодня для измерения скорости расширения ученые пользуются двумя основными методами. Первый способ — по наблюдению светимости далеких источников. На практике это выглядит так: ученые ищут галактики со сверхновыми, а затем по блеску и цвету сверхновых вычисляют расстояние до объекта и скорость расширения Вселенной. 

Второй способ — изучение параметров космического сверхвысокочастотного фонового излучения (реликтовое излучение), которое начало равномерно заполнять Вселенную через несколько мгновений после Большого взрыва.

Проблема с этими методами в том, что они дают разные результаты. Первый метод определяет значение Хаббла как приблизительно 73 километра в секунду на мегапарсек, второй — около 67 километров в секунду на мегапарсек. По мере развития телескопов величина постоянной Хаббла продолжает уточняться. Сейчас для измерения скорости расширения ученые берут средние значения — почти 70 километров в секунду на мегапарсек. 

Для ясности: один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет. Если, скажем, некая галактика находится на расстоянии 50 мегапарсек и нужно вычислить скорость ее удаления от наблюдателя, необходимо среднее значение постоянной Хаббла (70) умножить на расстояние (50). В итоге мы получим скорость удаления галактики, равную 3,5 тысячи километров в секунду. 

Почему не удается получить точное значение постоянной Хаббла — одна из самых «горячих» тем в астрономии. Возможно, причина кроется в неизвестных эффектах, систематически искажающих один из результатов, а может быть, дело в «новой физике», которую еще предстоит открыть.

В любом случае ученые не сидят сложа руки, а пытаются найти способы, которые разрешили бы эту проблему. Например, такую попытку предприняли датские астрофизики из Института Нильса Бора. Они предложили новый метод измерения космических расстояний. Результаты их работы опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.

«Когда две нейтронные звезды, которые представляют собой остатки сверхновых, вращаются друг вокруг друга и в какой-то момент сливаются, происходит мощный взрыв — так называемое килоновое событие. В своей работе мы показали, насколько этот взрыв может обладать идеальной симметрией и насколько эта симметрия не только красива, но и невероятно полезна», — объяснил Альберт Снеппен, один из соавторов исследования.

Датские ученые рассказали, что килоновые, несмотря на всю их сложность, главным образом описываются одним свойством — температурой. Зная температуру и некоторые другие параметры, можно узнать, сколько света они излучают. Сравнивая эту яркость с тем, сколько света достигает Земли, можно вычислить, насколько далеко находится килоновая. Таким образом, объяснили ученые, они получили новый метод расчета расстояний до галактик, содержащих килоновые.

«Сверхновые, которые используют для измерения расстояния до галактик, не всегда излучают одинаковое количество света. Более того, при таких измерениях постоянно требуется калибровка расстояний до сверхновых, а еще вторичная калибровка по цефеидам. С помощью килоновой можно обойти эти сложности, которые вносят неопределенность в измерения», — пояснил соавтор исследования Дарач Уотсон.

Чтобы проверить свой способ на деле, датские астрофизики применили его к килоновой AT2017gfo, открытой в 2017 году. В результате они получили значение Хаббла, близкое к значению, полученному методом измерения космического фонового излучения — около 67 километров в секунду на мегапарсек. 

Сможет ли измерение космического расстояния по килоновой решить проблему постоянной Хаббла, авторы работы пока ответить не берутся. По их мнению, прежде чем дать ответ на этот вопрос, необходимо опробовать такой метод на других аналогичных астрономических событиях.

Стоит отметить, что для некоторых физических теорий значение Хаббла и должно быть разным, поскольку скорость расширения пространства в разных точках ранней и поздней Вселенной может различаться. Такой подход изложен в работах Николая Горькавого, где неоднородности, вызванные расширением самой крупной черной дыры Вселенной, способны существенно изменять скорости расширения пространства-времени.