Уэбб подтверждает точность скорости расширения Вселенной и углубляет тайну постоянного напряжения Хаббла
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба предоставляет новые возможности для тщательного изучения и уточнения некоторых из самых убедительных наблюдательных доказательств этой напряженности. Нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Научного института космического телескопа представляет недавнюю работу, которую он и его коллеги использовали наблюдения Уэбба для повышения точности локальных измерений постоянной Хаббла.
Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и окончательной судьбы космоса. Однако между значением константы, измеренной с помощью широкого диапазона независимых индикаторов расстояния, и ее значением, предсказанным по послесвечению Большого взрыва, наблюдается устойчивая разница, называемая «Натяжением Хаббла». Совместные наблюдения с помощью NIRCam НАСА (камера ближнего инфракрасного диапазона) и WFC3 Хаббла (широкоугольная камера 3) показывают спиральную галактику NGC 5584, которая находится на расстоянии 72 миллионов световых лет от Земли. Среди светящихся звезд NGC 5584 есть пульсирующие звезды, называемые переменными цефеидами, и сверхновые типа Ia, особый класс взрывающихся звезд. Астрономы используют переменные цефеид и сверхновые типа Ia в качестве надежных маркеров расстояний для измерения скорости расширения Вселенной.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА и А. Рисс (STScI).
Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных параметров для понимания эволюции и окончательной судьбы космоса. Однако между значением константы, измеренной с помощью широкого диапазона независимых индикаторов расстояния, и ее значением, предсказанным по послесвечению Большого взрыва, наблюдается устойчивая разница, называемая «Натяжением Хаббла».
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба предоставляет новые возможности для тщательного изучения и уточнения некоторых из самых убедительных наблюдательных доказательств этой напряженности. Нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Научного института космического телескопа представляет недавнюю работу, которую он и его коллеги использовали наблюдения Уэбба для повышения точности локальных измерений постоянной Хаббла:
«Вы когда-нибудь пытались увидеть знак, который был на краю вашего зрения? Что он говорит? Что это значит? Даже с помощью самых мощных телескопов «знаки», которые астрономы хотят прочитать, кажутся настолько маленькими, что мы тоже испытываем трудности."
«Знак, который хотят прочитать космологи, — это знак ограничения космической скорости, который говорит нам, насколько быстро расширяется Вселенная — число, называемое постоянной Хаббла. Наш знак записан на звездах в далеких галактиках. Яркость некоторых звезд в этих галактиках говорит об этом, насколько далеко они находятся от нас, и, следовательно, сколько времени этот свет путешествовал, чтобы достичь нас, а красное смещение галактик говорит нам, насколько расширилась Вселенная за это время, и, следовательно, сообщает нам скорость расширения».
Эта диаграмма иллюстрирует совместную мощь космических телескопов НАСА «Хаббл» и «Уэбб» в определении точных расстояний до особого класса переменных звезд, которые используются для калибровки скорости расширения Вселенной. Эти переменные звезды-цефеиды можно увидеть в густонаселенных звездных полях. Световое загрязнение от окружающих звезд может сделать измерение яркости цефеиды менее точным. Более острое инфракрасное зрение Уэбба позволяет более четко изолировать цель цефеиды от окружающих звезд, как видно на правой стороне диаграммы. Данные Уэбба подтверждают точность 30-летних наблюдений Хаббла за цефеидами, которые сыграли решающую роль в установлении нижней ступени лестницы космических расстояний для измерения скорости расширения Вселенной.
«Особый класс звезд, переменные цефеиды, уже более столетия дает нам наиболее точные измерения расстояний, потому что эти звезды необычайно яркие: это звезды-сверхгиганты, светимость которых в сто тысяч раз превышает светимость Солнца. Более того, они пульсируют. (то есть расширяться и сжиматься в размерах) в течение нескольких недель, что указывает на их относительную яркость. Чем дольше этот период, тем они ярче по своей природе».
«Они являются золотым стандартом для измерения расстояний до галактик на расстоянии ста миллионов и более световых лет, что является важным шагом для определения постоянной Хаббла. К сожалению, звезды в галактиках скопились в небольшом пространстве с нашей отдаленной точки зрения. точки, и поэтому нам часто не хватает решимости отделить их от соседей по прямой видимости».
«Основным оправданием создания космического телескопа «Хаббл» было решение этой проблемы. До запуска «Хаббла» в 1990 году и последующих измерений цефеид скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что астрономы не были уверены, расширялась ли Вселенная в течение 10 миллиардов лет или 20 миллиардов лет. Это потому, что более высокая скорость расширения приведет к более молодому возрасту Вселенной, а более медленная скорость расширения приведет к более старому возрасту Вселенной».
«Хаббл имеет лучшее разрешение видимой длины волны, чем любой наземный телескоп, потому что он находится над эффектом размытия земной атмосферы. В результате он может идентифицировать отдельные переменные цефеид в галактиках, находящихся на расстоянии более ста миллионов световых лет, и измерять интервал времени, в течение которого они меняют свою яркость».
«Однако мы также должны наблюдать цефеиды в ближней инфракрасной части спектра, чтобы увидеть свет, который проходит невредимым сквозь промежуточную пыль. (Пыль поглощает и рассеивает синий оптический свет, заставляя далекие объекты выглядеть тусклыми и заставляя нас поверить в то, что они дальше, чем они)».
«К сожалению, зрение Хаббла в красном свете не такое острое, как в синем, поэтому свет звезд цефеид, который мы видим, смешивается с другими звездами в его поле зрения. Мы можем статистически объяснить среднюю степень смешения таким же образом, как и Доктор определяет ваш вес, вычитая средний вес одежды из показаний весов, но это добавляет шум к измерениям. У некоторых людей одежда тяжелее, чем у других».
«Однако острое инфракрасное зрение — одна из сверхспособностей космического телескопа Джеймса Уэбба. Благодаря большому зеркалу и чувствительной оптике он может легко отделять свет цефеид от соседних звезд с небольшим смешиванием. В первый год работы Уэбба с нашей программой общих наблюдателей В 1685 году мы собрали наблюдения за цефеидами, обнаруженными Хабблом на двух ступенях так называемой лестницы космических расстояний».
«Первый шаг включает наблюдение цефеид в галактике с известным геометрическим расстоянием, которое позволяет нам откалибровать истинную светимость цефеид. Для нашей программы этой галактикой является NGC 4258. Второй шаг — наблюдение цефеид в родительских галактиках недавнего типа. Я сверхновые».
«Комбинация первых двух шагов передает знания о расстоянии до сверхновых для калибровки их истинной светимости. Третий шаг — наблюдать за теми сверхновыми, которые находятся далеко, где расширение Вселенной очевидно и может быть измерено путем сравнения расстояний, выведенных из их яркость и красное смещение родительских галактик сверхновых. Эта последовательность шагов известна как лестница расстояний».
Сравнение отношений период-светимость цефеид, используемых для измерения расстояний. Красные точки — от Уэбба НАСА, а серые точки — от Хаббла НАСА. Верхняя панель посвящена NGC 5584, звезде сверхновой типа Ia, а на вставке показаны изображения одной и той же цефеиды, видимой каждым телескопом. Нижняя панель относится к NGC 4258, галактике с известным геометрическим расстоянием, а на вставке показана разница в модулях расстояний между NGC 5584 и NGC 4258, измеренная каждым телескопом. Оба телескопа находятся в превосходном согласии.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, А. Рисс (STScI) и Г. Ананд (STScI).
«Недавно мы получили наши первые измерения Уэбба на первом и втором шагах, что позволяет нам завершить лестницу расстояний и сравнить предыдущие измерения с Хабблом. Измерения Уэбба значительно снизили шум в измерениях цефеид благодаря разрешению обсерватории в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн."
«Такое улучшение — это то, о чем мечтают астрономы! Мы наблюдали более 320 цефеид на первых двух этапах. Мы подтвердили, что более ранние измерения космического телескопа Хаббл были точными, хотя и более шумными. Мы также наблюдали еще четыре хозяина сверхновых с Уэббом и мы видим аналогичный результат для всей выборки».
«Результаты до сих пор не объясняют, почему Вселенная расширяется так быстро! Мы можем предсказать скорость расширения Вселенной, наблюдая за ее детской картиной, космическим микроволновым фоном, а затем используя нашу лучшую модель того, как она растет с течением времени, чтобы сказать нам, как быстро Вселенная должна расширяться сегодня».
«Тот факт, что нынешние измерения скорости расширения значительно превышают предсказания, является проблемой, которая уже десятилетие называется «Натяжение Хаббла»."
«Это может указывать на присутствие экзотической темной энергии, экзотической темной материи, пересмотр нашего понимания гравитации или наличие уникальной частицы или поля. Более приземленным объяснением было бы множественные ошибки измерений, сговорившиеся в одном направлении (астрономы исключил единственную ошибку, используя независимые шаги), поэтому так важно повторить измерения с большей точностью».
«Поскольку Уэбб подтверждает измерения Хаббла, измерения Уэбба предоставляют убедительное доказательство того, что систематические ошибки в фотометрии цефеид Хаббла не играют существенной роли в нынешнем Хаббловском напряжении. В результате на столе остаются более интересные возможности, и Тайна Напряжения углубляется».
В этом посте представлены данные из статьи, принятой The Astrophysical Journal.
