Вселенная, судя по всему, расширяется быстрее, чем должна. И никто не знает, почему — а новые сверхточные измерения расстояний только усугубили эту проблему.

Кликабельно

3 декабря у человечества вдруг оказалась на руках информация, которую мы хотели получить с незапамятных времён: точное расстояние до звёзд.

«Вводите название звезды или её местоположение, и через секунду получаете ответ», — сказал Бэрри Мэдор, космолог из Чикагского университета и Обсерваторий Карнеги, во время видеозвонка. «В общем…» – он умолк.

«Мы просто завалены этими данными», — сказала Венди Фридман, космолог из тех же университетов, жена и коллега Мэдора.

«Невозможно преувеличить мой восторг по этому поводу», — сказал по телефону Адам Рисс из университета Джонса Хопкинса, получивший в 2011 году нобелевскую премию за участие в открытии тёмной энергии. «Давайте я переключусь на видео, чтобы показать вам, что меня так восхитило?» Мы перешли в Zoom, чтобы он смог поделиться своим экраном, где расположились красивые графики, описывающие новые данные по местоположениям звёзд.

Эти данные собрал космический аппарат «Гайя» европейского космического агентства. Последние шесть лет он с насеста высотой в полтора миллиона километров без перерыва глазел на звёзды. Телескоп измерил параллаксы 1,3 млрд звёзд – крохотные изменения видимых положений звёзд, выдающие расстояние до них. «Параллаксы с Гайи – самые точные измерения расстояний за всю историю», — сказал Джо Бови, астрофизик из Торонтского университета.

А что самое приятное для космологов, в новый каталог «Гайи» входят особые звёзды, расстояния до которых служат мерилом для всех остальных, более далёких расстояний. Поэтому новые данные мгновенно обострили крупнейшую проблему современной космологии: неожиданно быстрое расширение Вселенной, «хаббловскую напряжённость» [Hubble tension].

Напряжённость состоит в следующем: на основе известных составляющих Вселенной и управляющих ею уравнений получается, что она должна расширяться со скоростью в 67 км в секунду на мегапарсек – то есть, с каждым дополнительным мегапарсеком между нами и галактикой она должна разлетаться от нас на 67 км быстрее. Однако реальные измерения постоянно превосходят это значение. Галактики разлетаются слишком быстро. Это расхождение наводит на волнующую мысль о том, что в космосе должен быть какой-то неизвестный нам ускоряющий фактор.

«Было бы невероятно здорово обнаружить новую физику, — сказала Фридман. – Я втайне надеюсь, что на этом основании можно сделать открытие. Но нам нужно убедиться, что мы правы. Перед тем, как недвусмысленно заявить об этом, нужно проделать много работы».

В эту работу входит уменьшение возможных источников ошибок в измерениях скорости расширения. Крупнейшим из таких источников было расстояние до ближайших к нам звёзд – и это расстояние уточнили новые данные о параллаксе.

В опубликованной в журнале The Astrophysical Journal работе команда Рисса использовала новые данные, чтобы уточнить скорость расширения. Они получили 73,2 км в секунду на мегапарсек, что соответствует их предыдущим оценкам, только теперь погрешность уменьшилась до 1,8%. Это лишь укрепляет расхождение с предсказанной величиной скорости, 67.

Фридман и Мэдор скоро планируют опубликовать собственное новое и улучшенное измерение этой величины. Они тоже считают, что новые данные лишь укрепят, но не изменят их измерений, которые, хоть и были меньше, чем у Рисса и других групп, но всё равно превосходили предсказание.

С момента запуска «Гайи» в декабре 2013 года она выпустила два массивных набора данных, произведших революцию в понимании ближайших к нам частей космоса. Однако предыдущие измерения параллакса «Гайи» разочаровали всех. «Когда мы посмотрели на первый выпуск данных» в 2016 году, «нам хотелось плакать», сказала Фридман.

Непредвиденная проблема

Если бы параллаксы было легче измерять, революция Коперника могла бы случиться и ранее.

В XVI веке Коперник предположил, что Земля вращается вокруг Солнца [такие предположения высказывались и задолго до него, однако в Европе общепринятой считалась геоцентрическая система]. Однако уже тогда астрономы знали о параллаксе. Если Коперник был прав, и Земля движется, то они ожидали увидеть смещение позиций звёзд на небе – так же, как видимый вами фонарный столб смещается относительно далёких холмов сзади него, когда вы переходите улицу. Астроном Тихо Браге не обнаружил подобных сдвигов, и заключил, что Земля не движется.

И всё-таки, она движется, а звёзды – сдвигаются, хотя и очень мало, поскольку расположены они очень далеко от нас.

Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель смог обнаружить звёздный параллакс. Измеряя угловой сдвиг звёздной системы 61 Лебедя по отношению к окружающим звёздам, Бессель заключил, что она расположена на расстоянии в 10,3 светового года от нас [по образному выражению его современников, «впервые лот, заброшенный в глубины мироздания, достиг дна» / прим. пер.]. И его измерения отличались от истины всего на 10% — новые измерения «Гайи» говорят, что две звезды этой системы располагаются на расстоянии в 11,4030 и 11,4026 световых года от нас, плюс-минус пару тысячных долей.

Система 61 Лебедя находится чрезвычайно близко к нам. Более типичные звёзды Млечного Пути сдвигаются лишь на сотые доли угловой секунды – это в сто раз меньше пикселя у современной камеры телескопа. Для определения их движения требуется специализированное сверхстабильное оборудование. «Гайю» специально разрабатывали для этой цели, но когда телескоп включили, то столкнулись с непредвиденной проблемой.

Телескоп работает благодаря тому, что смотрит сразу в двух направлениях, и отслеживает угловую разницу между звёздами в двух областях видимости, пояснил Леннарт Линдерген, один из авторов проекта «Гайя» в 1993 году, и руководитель команды, анализирующей новые данные по параллаксу. Для точного измерения параллакса требуется, чтобы угол между двумя областями зрения оставался постоянным. Но в начале работы миссии учёные обнаружили, что это не так. Телескоп слегка изгибался, вращаясь по отношению к Солнцу, из-за чего в его движения вкрадывались колебания, имитировавшие параллакс. Что ещё хуже, этот сдвиг сложным образом зависел от местоположения объектов, их цвета и яркости.

Однако по мере набора данных учёные обнаружили, что проще будет отделить ложный параллакс от реального. Линдегрен с коллегами смогли удалить большую часть колебаний телескопа из новых данных, а также вывели формулу, с помощью которой исследователи могут корректировать изменения параллакса в зависимости от местоположения, цвета и яркости звезды.

Взбираясь по лестнице

Вооружившись новыми данными, Рисс, Фридман и Мэдор с командами смогли пересчитать скорость расширения Вселенной. В общих чертах, чтобы измерить скорость расширения, нужно понять, насколько далеко от нас находятся удалённые галактики, и как быстро они от нас удаляются. Измерить скорость просто, а расстояния – сложно.

Самые точные измерения полагаются на сложные "лестницы космических расстояний". За первую ступень отвечают «стандартные свечи» – звёзды, внутри и снаружи нашей Галактики с хорошо определённой яркостью, находящиеся достаточно близко от нас, чтобы их параллакс можно было измерить – а это единственный способ измерить расстояние до объекта, не приближаясь к нему. Затем астрономы сравнивают яркость этих стандартных свечей с яркостью более тусклых, расположенных в близлежащих галактиках, чтобы рассчитать расстояние до них. Это вторая ступень лестницы. Зная расстояние до галактик, выбранных потому, что в них есть редкие и яркие взрывы сверхновых типа Iа, астрономы могут измерить относительные расстояния до расположенных ещё дальше галактик, где тоже есть, уже более тусклые для нас, сверхновые типа Ia. Отношение скорости этих далёких галактик к расстоянию до них даёт скорость расширения космоса.

Параллаксы, следовательно, критически важны для всей этой конструкции. «Измените первый шаг – параллаксы – и все последующие тоже поменяются», — сказал Рисс, один из лидеров подхода с лестницей расстояний. «Измените точность первого шага, изменится точность всего остального».

Команда Рисса использовала новый измеренный «Гайей» параллакс 75 цефеид – пульсирующих переменных звёзд, выбранных ими в качестве предпочтительных стандартных свечей – чтобы заново откалибровать своё измерение скорости расширения Вселенной.

Главные соперники Рисса в игре с лестницей расстояний, Фридман и Мэдор, в последние годы начали утверждать, что в цефеидах может скрываться погрешность, влияющая на верхние ступени лестницы. Поэтому, не полагаясь на них, их команда комбинирует измерения на основе различных стандартных свечей из набора данных «Гайи» – цефеиды, переменные типа RR Лиры, звёзды с верхней части ветки красных гигантов, и т.н. углеродные звёзды.

«Новые данные Гайи дают нам безопасную платформу», — сказал Мэдор. Они с Фридман отметили, что новые данные и их формула корректировки хорошо сочетаются. При использовании различных методов построения и анализа измерений, точки на графике, обозначающие цефеиды и другие звёзды, красиво ложатся на прямые, почти без колебаний, говорящих о случайных ошибках.

«Это говорит о том, что мы действительно получаем реальные данные», — сказал Мэдор.