Из новых данных может следовать «новая физика»
«Не могу описать, насколько я взволнован», — сказал в интервью научно-просветительскому Quanta Magazine Адам Рисс. Профессор из университета Джонса Хопкинса, получивший Нобелевскую премию по физике 2011 года за совместное открытие темной энергии, занимается сейчас изучением новых данных, взволновавших научное сообщество.
Эти данные были получены 3 декабря с корабля Gaia Европейского космического агентства, который последние шесть лет наблюдал за звездами с высоты более миллиона километров от Земли. Телескоп измерил «параллаксы» 1,3 миллиарда звезд – крошечные сдвиги в видимом положении небесных тел, которые показывают их расстояния от нас.
Самая большая радость для космологов в том, что новый каталог Gaia включает в себя звезды, расстояния до которых служат мерилом для измерения всех наиболее далеких космических расстояний. Но неожиданно новые данные обострили самую большую загадку современной космологии: быстрое расширение Вселенной, известное как «хаббловская напряженность».
Все забеспокоились. Дело в том, что все основные уравнения говорят о том, что в настоящее время она должна расширяться со скоростью 67 километров в секунду на мегапарсек (то есть такова скорость разлета двух галактик, если между ними расстояние в 1 Мпк). И все же фактические измерения постоянно превышают отметку. Галактики слишком быстро удаляются. Это несоответствие наводит на мысль, что в космосе может действовать какая-то неизвестная оживляющая сила.
«Было бы невероятно интересно, если бы появилась новая физика», — сказал Рисс. «Я надеюсь, что из этого получится грандиозное открытие, но вначале нужно убедиться, что наши измерения полностью верны. Прежде, чем мы сможем сказать об этом однозначно, нам предстоит еще немало работы. Сейчас уже меньше неопределенности, так как новые данные о параллаксе, похоже, почти точно определяют расстояния до звезд».
Число из этой главы знает пока очень мало людей на Земле
В статье, опубликованной 15 декабря в The Astrophysical Journal, команда Рисса использовала новые данные. У них получилось зафиксировать скорость расширения на уровне 73,2 километра в секунду на мегапарсек с погрешностью всего 1,8%. Это, по-видимому, устранило большинство несоответствий в ранее полученных данных.
Если бы параллаксы было легко измерить, Копернику было бы гораздо легче отстоять свою правоту. Николай Коперник предположил в 16 веке, что Земля вращается вокруг Солнца. Но, по мнению ученых того времени, если бы Земля двигалась, то близлежащие звезды визуально смещались бы так же, как фонарный столб «двигается» по отношению к заднему плану, когда мы мимо него проезжаем.
Астроном Тихо Браге не обнаружил такого звездного параллакса и, таким образом, пришел к выводу, что Земля не движется.
И все же, это не так, и звезды действительно сдвигаются, просто мы не замечаем этого, так как они очень далеко. Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Бессель обнаружил параллакс звезд. Измеряя угловой сдвиг звездной системы 61 Лебедя относительно окружающих звезд, Бессель пришел к выводу, что она находится на расстоянии 10,3 световых лет от нас. Его измерения отличались от истинного значения всего на 10% – новые измерения Gaia помещают две звезды в системе на расстоянии 11,4030 и 11,4026 световых лет, плюс-минус одна или две тысячных светового года.
Но система 61 Лебедя исключительно близка, а вот звезды Млечного Пути смещаются всего на десятитысячные доли угловой секунды – сотые доли пикселя в современной камере телескопа. Для обнаружения движения требуются специализированные сверхстабильные инструменты. Gaia был разработан для этой цели, но когда он включился, у телескопа возникла непредвиденная проблема.
Телескоп работает, глядя одновременно в двух направлениях и отслеживая угловые различия между звездами в двух своих полях зрения, объяснил Леннарт Линдегрен, который стал соавтором миссии Gaia в 1993 году и руководил анализом новых данных о параллаксе. Для точной оценки параллакса необходимо, чтобы угол между двумя полями обзора оставался фиксированным. Но в начале миссии Gaia ученые обнаружили, что это не так. Телескоп слегка изгибается при вращении по отношению к Солнцу, что приводит к колебаниям в измерениях, имитирующих параллакс. Хуже того, это «смещение» параллакса сложным образом зависит от положения, цвета и яркости объектов.
Однако по мере накопления данных ученым Gaia было легче отделить «поддельный» параллакс от реального. Линдегрену и его коллегам удалось устранить большую часть колебаний телескопа из недавно обнародованных данных о параллаксе, а также разработать формулу, которую исследователи могут использовать для корректировки окончательных измерений в зависимости от положения, цвета и яркости звезды.
Располагая новыми данными, Рисс и его команда смогли пересчитать скорость расширения Вселенной. В общих чертах, для измерения космического расширения нужно выяснить, насколько далеки от нас галактики и как быстро они удаляются от нас. Измерения скорости просты, а вот с расстояниями все сложнее.
«Неизвестный компонент»
Людмила Трубилко, преподаватель физики высшей категории, пояснила это вопрос: «Самые точные измерения полагаются на замысловатую шкалу расстояний в астрономии. Первая ступень состоит из стандартных свечей в нашей галактике и вокруг нее, которые имеют четко определенную светимость и достаточно близки, чтобы демонстрировать параллакс — единственный надежный способ определить, насколько далеко объекты, не путешествуя туда. Затем астрономы сравнивают яркость этих стандартных свечей с яркостью более тусклых свечей в соседних галактиках, чтобы определить расстояние до них. Это вторая ступенька лестницы. Измерение расстояния до галактики, которая содержит яркие звездные взрывы, называемые сверхновыми типа 1a, позволяет космологам оценить относительные расстояния до более далеких галактик, содержащих более слабые сверхновые типа 1a. Отношение скоростей этих далеких галактик к их расстояниям дает скорость космического расширения».
Таким образом, параллаксы имеют решающее значение для всей конструкции. «Вы меняете первую ступеньку», — говорит Трубилко. — «Затем все, что следует за ней, тоже меняется. Если вы измените точность первого шага, изменится точность всего остального».
Физик с надеждой смотрит на открытия своих коллег и видит большой потенциал данных Gaia: «Параллаксы Gaia, безусловно, являются наиболее инновационным и точным определением расстояния из когда-либо существовавших. Новые данные дают астрономам новую надежду. Они, похоже, действительно корректны при внимательных подсчетах и полностью меняют то, как мы смотрим на напряжение Хаббла. Если во вселенной есть какой-то неизвестный нам компонент, который получится обнаружить, то это будет открытием века».
