Скорость расширения Вселенной считается одним из ключевых параметров современной космологии. Ее описывает постоянная Хаббла — величина, которая показывает, как быстро увеличивается расстояние между галактиками по мере расширения пространства. Ученые, однако, столкнулись с серьезной проблемой: разные методы измерения постоянной дают несовпадающие значения.
Одни оценки основаны на наблюдениях ранней Вселенной, прежде всего реликтового излучения — слабого микроволнового свечения, возникшего примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Другие используют данные о более современном космосе: например, расстояния до галактик, в которых наблюдаются сверхновые типа Ia — взрывы белых карликов, чья яркость позволяет измерять космологические расстояния.
Расхождение между двумя подходами получило название «напряжение Хаббла». Суть в том, что оно слишком велико, чтобы его можно было списать на погрешности наблюдений. Если расхождение реально, значит, существующая космологическая модель ΛCDM может быть неполной, а наши представления о темной энергии — загадочной форме энергии, ускоряющей расширение космоса — нуждаются в пересмотре. Поэтому любые независимые способы измерения постоянной Хаббла вызывают огромный интерес.
Одним из таких методов могут стать древнейшие звездные скопления, что сформировались вскоре после рождения космоса. До недавнего времени этот подход работал лишь для объектов в относительно близкой Вселенной, но запуск космической обсерватории «Джеймс Уэбб» позволил изучать их куда более далеких предшественников.
Авторы нового исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv.org, изучили систему Cosmic Gems Arc — далекую галактику, свет от которой дошел до нас из эпохи, когда Вселенной было всего 470 миллионов лет. Свое название она получила из-за необычного вида на снимках «Уэбба»: под действием гравитационного линзирования ее изображение было растянуто в яркую дугу, внутри которой удалось различить звездные скопления. После дополнительной обработки снимков астрономы обнаружили 20 точечных источников, которые соответствуют 10 физически различным скоплениям.
Возраст каждого скопления определили, сравнив его яркость на разных длинах волн с компьютерными моделями звездной эволюции. Поскольку при этом не учитывали предположения о возрасте самой Вселенной, полученные оценки можно применять как независимый способ проверки существующих измерений постоянной Хаббла.
По оценкам, средний возраст наиболее древней части выборки составил 102 миллиона лет. Эти данные затем объединили с наиболее точными оценками возраста древних шаровых скоплений Млечного Пути. Таким образом, ученые впервые использовали звездные скопления из современной и ранней Вселенной как единый инструмент для оценки постоянной Хаббла.
Полученные ограничения пока остаются довольно слабыми: центральное значение постоянной составило примерно 70 километров в секунду на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Правда, неопределенность измерения еще очень велика. Для сравнения, анализ реликтового излучения дает 67 километров в секунду на мегапарсек, а измерения с помощью сверхновых типа Ia — 74 километра в секунду на мегапарсек.
Важны, однако, не сами численные значения, а доказательство работоспособности нового подхода. Если в ближайшие годы удастся собрать данные примерно о 300 подобных звездных скоплениях на разных расстояниях, точность определения постоянной Хаббла может достичь четырех процентов. Такой результат сделает новый метод конкурентоспособным с ведущими космологическими измерениями.
Учитывая, что «Уэбб» регулярно находит подобные объекты, а будущие наблюдения с помощью телескопа «Нэнси Грэй Роман» расширят эту выборку, у астрономов появится шанс получить еще один независимый способ проверить, действительно ли напряжение Хаббла указывает на новую физику — или же причина противоречий скрыта в существующих методах наблюдений.