Не ошибка, а новая физика? Астрономы подтвердили «напряжение Хаббла» новым методом

Уже больше десяти лет космологи пытаются разобраться с противоречием в измерениях скорости расширения Вселенной. Наблюдения за ближайшими звездами и вспышками сверхновых дают значение постоянной Хаббла около 73 км/с/Мпк, тогда как анализ космического микроволнового фона указывает на более низкое значение примерно 67 км/с/Мпк. Этот разрыв, получивший название «напряжение Хаббла», со временем только усилился и сегодня считается одной из главных загадок современной физики.

Часть исследователей считает, что проблема может быть связана с накопившимися погрешностями в так называемой космической «лестнице расстояний», где каждое следующее звено калибруется через предыдущее и ошибки постепенно накапливаются. Новая работа астрономов подходит к вопросу с другой стороны и использует метод космографии временных задержек, основанный на гравитационном линзировании далеких квазаров. По словам авторов исследования, «напряжение Хаббла» может указывать на новую физику и открывать путь к следующему этапу развития космологии.

В классическом подходе астрономы строят «лестницу расстояний», начиная со звезд с хорошо известной светимостью, затем калибруют по ним сверхновые и уже по сверхновым измеряют расстояния в более далеких масштабах. Это мощный инструмент, однако небольшие неопределенности на каждом шаге могут суммироваться, и критики считают, что именно так и возник разрыв в оценках постоянной Хаббла. Новый метод позволяет обойти эту цепочку целиком и не опираться на промежуточные калибровки.

Для космографии временных задержек нужны очень массивные галактики, которые играют роль гравитационных линз. Их гравитация искривляет пространство, и свет от квазара, расположенного за такой галактикой, огибает ее по разным траекториям. В результате наблюдатель на Земле видит несколько искаженных изображений одного и того же объекта, а вспышки и спады яркости квазара приходят с небольшими задержками во времени, поскольку лучи света проходят разные расстояния и разные гравитационные «ямы».

Авторы работы проанализировали восемь подобных линзирующих систем, каждая из которых включает галактику линзу на переднем плане и квазар за ней. Фиксируя временные задержки между изменениями яркости в разных изображениях, исследователи оценили длину световых путей и, следовательно, геометрию пространства вдоль этих лучей. Но одних только измерений времени оказалось недостаточно, поэтому пришлось дополнительно моделировать распределение массы внутри линзирующих галактик, от которого зависит форма гравитационной линзы и траектории света.

Для построения таких моделей команда использовала детальные снимки с крупнейших наземных обсерваторий и космического телескопа имени Джеймса Уэбба, а также современные представления о том, как обычно распределена масса в галактиках. Объединив данные о временных задержках и о массе, исследователи получили значение постоянной Хаббла с погрешностью около 4,5 процента. Результат оказался ближе к «локальному» значению примерно 73 км/с/Мпк, которое дают наблюдения за сверхновыми, а не к более низкой оценке, вытекающей из космического микроволнового фона.

Этот вывод усиливает аргумент о том, что напряжение Хаббла не сводится к одной большой систематической ошибке в классических методах измерения. Если Вселенная в прошлом расширялась иначе, чем предполагает стандартная модель, или в ее эволюции участвовали неизвестные формы энергии и частиц, ученым, возможно, придется пересматривать отдельные элементы современного сценария Большого взрыва. Однако говорить о полном пересмотре космологии пока рано.

Сами авторы подчеркивают, что ключевой источник неопределенности по-прежнему связан с описанием распределения массы в линзирующих галактиках: даже небольшие отклонения в моделях способны заметно сместить итоговое значение постоянной Хаббла. Кроме того, набора из восьми линз недостаточно, чтобы выйти на точность порядка 1-2 процентов, которая необходима для окончательного подтверждения или опровержения гипотезы о новой физике.

Следующая задача исследователей состоит в том, чтобы существенно расширить выборку гравитационных линз с измеренными временными задержками, получить еще более четкие изображения и свести к минимуму возможные систематические ошибки. По мере ввода в строй новых мощных телескопов, включая космические инструменты, авторы рассчитывают улучшить как методику, так и статистику. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.