Калибровка шкалы светимости галактических цефеид уточняет проблему напряжения Хаббла
Вселенная расширяется, но насколько быстро? Исследование, проведенное группой Stellar Standard Candles and Distances под руководством Ричарда Андерсона из Института физики EPFL и опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, добавляет новую часть головоломки. На основе данных, собранных Gaia Европейского космического агентства (ЕКА), учёные добились наиболее точной калибровки звезд-цефеид (для измерений расстояний) — типа переменных звезд, светимость которых колеблется в течение определенного периода времени. Эта новая калибровка еще больше усиливает напряженность Хаббла.
RS Puppis, тип переменной звезды, известной как переменная цефеида.
Авторы и права: Архив наследия Хаббла, НАСА, ЕКА.
Постоянная Хаббла (H0) названа в честь астрофизика, который вместе с Жоржем Леметром открыл это явление в конце 1920-х годов. Она измеряется в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), где 1 Мпк составляет около 3,26 миллиона световых лет.
Наилучшее прямое измерение H0 использует «лестницу космических расстояний», первая ступень которой определяется абсолютной калибровкой яркости цефеид, которая теперь перекалибрована исследованием EPFL. В свою очередь, цефеиды калибруют следующую ступень лестницы, где сверхновые — мощные взрывы звезд в конце их жизни — отслеживают расширение самого пространства.
Эта лестница расстояний, измеренная сверхновыми, H0, для группы по уравнению состояния темной энергии (SH0ES) под руководством Адама Рисса, лауреата Нобелевской премии по физике 2011 г., определяет H0 как 73,0 ± 1,0 км / с / Мпк.
Первое излучение после Большого взрыва
H 0 также можно определить, интерпретируя реликтовое излучение — вездесущее микроволновое излучение, оставшееся после Большого взрыва более 13 миллиардов лет назад. Однако этот метод измерения «ранней Вселенной» должен предполагать наиболее подробное физическое понимание того, как развивается Вселенная, что делает ее зависимой от модели. Спутник ESA Planck предоставил наиболее полные данные о CMB, и согласно этому методу H0 составляет 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.
Натяжение Хаббла относится к этому расхождению в 5,6 км / с / Мпк, в зависимости от того, используется ли метод реликтового излучения (ранняя Вселенная) или метод лестницы расстояний (поздняя Вселенная). Подразумевается, при условии, что измерения, выполненные обоими методами, верны, что есть что-то неправильное в понимании основных физических законов, управляющих Вселенной. Естественно, эта важная проблема подчеркивает, насколько важно, чтобы методы астрофизики были надежными.
Положение на небе, положение в пространстве собственных движений и диаграмма цветовой величины для различных скоплений цефеид. Фоновые звезды показаны серым цветом, а вероятность принадлежности к скоплению отмечена цветом. Светлые цвета указывают на высокую вероятность. Цефеиды обозначены большими закрашенными красными кружками. Цефеиды, обнаруженные как члены кластера с помощью HDBSCAN, также имеют перечеркнутый символ, чтобы проиллюстрировать вероятность принадлежности.
Авторы и права: Астрономия и астрофизика (2023 г.). DOI: 10.1051/0004-6361/202244775
Новое исследование EPFL так важно, потому что оно укрепляет первую ступень лестницы расстояний, улучшая калибровку цефеид как индикаторов расстояний. Действительно, новая калибровка позволяет нам измерять астрономические расстояния с точностью до ± 0,9%, и это дает сильную поддержку измерениям поздней Вселенной. Кроме того, результаты, полученные в EPFL в сотрудничестве с командой SH0ES, помогли уточнить измерение H0, что привело к повышению точности и повышению значимости хаббловского натяжения.
«Наше исследование подтверждает скорость расширения 73 км/с/Мпк, но, что более важно, оно также обеспечивает наиболее точную и надежную калибровку цефеид как инструментов для измерения расстояний на сегодняшний день», — говорит Андерсон.
«Мы разработали метод поиска цефеид, принадлежащих звездным скоплениям, состоящим из нескольких сотен звезд, путем проверки того, движутся ли звезды вместе через Млечный Путь извлекая выгоду из увеличения точности, обеспечиваемого многими звездами-членами скопления. Это позволило нам довести точность параллаксов Gaia до их предела и обеспечивает самую прочную основу, на которой может стоять лестница расстояний».
Переосмысление основных концепций
Почему разница всего в несколько км/с/Мпк имеет значение, учитывая огромные масштабы Вселенной? «Это несоответствие имеет огромное значение», — говорит Андерсон.
«Предположим, вы хотите построить туннель, прокопав два противоположных склона горы. Если вы правильно поняли тип породы и если ваши расчеты верны, то две вырытые вами дыры встретятся в центре. Но если нет, значит, вы допустили ошибку — либо ваши расчеты неверны, либо вы ошиблись в отношении типа породы.
«Вот что происходит с постоянной Хаббла. Чем больше мы получаем подтверждений точности наших расчетов, тем больше мы можем заключить — расхождение означает, что наше понимание Вселенной ошибочно, Вселенная не совсем такая, как мы думали».
Несоответствие имеет много других последствий. Это ставит под вопрос самые основы, такие как точная природа темной энергии, пространственно-временной континуум и гравитация. «Это означает, что мы должны переосмыслить основные концепции, которые составляют основу нашего общего понимания физики», — говорит Андерсон.
Исследование его исследовательской группы вносит важный вклад и в другие области. «Поскольку наши измерения очень точны, они дают нам представление о геометрии Млечного Пути», — говорит Маурисио Крус Рейес, доктор философии, студент исследовательской группы Андерсона и ведущий автор исследования. «Высокоточная калибровка, которую мы разработали, позволит нам лучше определить размер и форму Млечного Пути как галактики с плоским диском, а также, например, ее расстояние от других галактик. Наша работа также подтвердила надежность данных Gaia, сравнив их с данными, полученными с других телескопов».
