Загадка Всесвіту: з нових даних може слідувати «нова фізика»

 Всесвіт розширюється швидше, ніж ми думали.

У грудні людство, нарешті, отримало те, чого вчені-астрономи чекали майже вічність: точну відстань від Землі до зірок. Однак, як часто буває в науці, нові дані породили припущення про наявність раніше невідомої загадки, вирішення якої може стати «відкриттям століття».

Фото / expert.ru

З нових даних може слідувати «нова фізика»

«Не можу описати, наскільки я схвильований», - сказав в інтерв'ю науково-просвітницькому Quanta Magazine Адам Рісс. Професор з університету Джонса Хопкінса, який отримав Нобелівську премію з фізики 2011 за спільне відкриття темної енергії, займається зараз вивченням нових даних, схвилювали наукове співтовариство.

• Квантовий експеримент виявляє, що частинки можуть утворювати колективи майже з нічого

Ці дані були отримані 3 грудня з корабля Gaia Європейського космічного агентства, який останні шість років спостерігав за зірками з висоти понад мільйон кілометрів від Землі. Телескоп виміряв «паралакси» 1,3 мільярда зірок - крихітні зрушення у видимому положенні небесних тіл, які показують їх відстані від нас.

Найбільша радість для космологов в тому, що новий каталог Gaia включає в себе зірки, відстані до яких служать мірилом для вимірювання всіх найбільш далеких космічних відстаней. Але несподівано нові дані загострили найбільшу загадку сучасної космології: швидке розширення Всесвіту, відоме як «Хаббловском напруженість».

Всі занепокоїлися. Справа в тому, що всі основні рівняння говорять про те, що в даний час вона повинна розширюватися зі швидкістю 67 кілометрів на секунду на мегапарсек (тобто така швидкість розльоту двох галактик, якщо між ними відстань в 1 Мпк). І все ж фактичні вимірювання постійно перевищують позначку. Галактики занадто швидко видаляються. Ця невідповідність наводить на думку, що в космосі може діяти якась невідома оживляюча сила.

«Було б неймовірно цікаво, якби з'явилася нова фізика», - сказав Рісс. «Я сподіваюся, що з цього вийде грандіозне відкриття, але спочатку потрібно переконатися, що наші виміри повністю вірні. Перш, ніж ми зможемо сказати про це однозначно, нам належить ще чимало роботи. Зараз вже менше невизначеності, так як нові дані про паралаксі, схоже, майже точно визначають відстані до зірок ».

Число з цієї глави знає поки дуже мало людей на Землі

У статті, опублікованій 15 грудня в The Astrophysical Journal, команда Рісса використовувала нові дані. У них вийшло зафіксувати швидкість розширення на рівні 73,2 кілометра в секунду на мегапарсек з похибкою всього 1,8%. Це, мабуть, усунуло більшість невідповідностей в раніше отриманих даних.

Якби паралакси було легко виміряти, Копернику було б набагато легше відстояти свою правоту. Микола Коперник припустив в 16 столітті, що Земля обертається навколо Сонця. Але, на думку вчених того часу, якби Земля рухалася, то прилеглі зірки візуально зміщувалися б так само, як ліхтарний стовп «рухається» по відношенню до заднього плану, коли ми повз нього проїжджаємо.

Астроном Тихо Браге не виявив такого зоряного паралакса і, таким чином, прийшов до висновку, що Земля не рухається.

І все ж, це не так, і зірки дійсно зрушуються, просто ми не помічаємо цього, так як вони дуже далеко. Тільки в 1838 році німецький астроном Фрідріх Бессель виявив паралакс зірок. Вимірюючи кутовий зсув зоряної системи 61 Лебедя щодо навколишніх зірок, Бессель прийшов до висновку, що вона знаходиться на відстані 10,3 світлових років від нас. Його вимірювання відрізнялися від істинного значення всього на 10% - нові виміри Gaia поміщають дві зірки в системі на відстані 11,4030 і 11,4026 світлових років, плюс-мінус одна або дві тисячних світлового року.

Але система 61 Лебедя виключно близька, а ось зірки Чумацького Шляху зміщуються всього на десятитисячні частки кутової секунди - соті частки пікселя в сучасній камері телескопа. Для виявлення руху потрібні спеціалізовані сверхстабільні інструменти. Gaia був розроблений для цієї мети, але коли він включився, у телескопа виникла непередбачена проблема.

Телескоп працює, дивлячись одночасно в двох напрямках і відстежуючи кутові відмінності між зірками в двох своїх полях зору, пояснив Леннарт Ліндегрен, який став співавтором місії Gaia в 1993 році і керував аналізом нових даних про паралаксі. Для точної оцінки параллакса необхідно, щоб кут між двома полями огляду залишався фіксованим. Але на початку місії Gaia вчені виявили, що це не так. Телескоп злегка згинається при обертанні по відношенню до Сонця, що призводить до коливань в вимірах, що імітують паралакс. Гірше того, це «зсув» параллакса складним чином залежить від положення, кольору і яскравості об'єктів.

Однак у міру накопичення даних вченим Gaia було легше відокремити «підроблений» паралакс від реального. Ліндегрену і його колегам вдалося усунути більшу частину коливань телескопа з недавно оприлюднених даних про паралаксі, а також розробити формулу, яку дослідники можуть використовувати для коригування закінчать Єльне вимірювань в залежності від положення, кольору і яскравості зірки.

Маючи в своєму розпорядженні новими даними, Рісс і його команда змогли перерахувати швидкість розширення Всесвіту. У загальних рисах, для вимірювання космічного розширення потрібно з'ясувати, наскільки далекі від нас галактики і як швидко вони віддаляються від нас. Вимірювання швидкості прості, а от з відстанями все складніше.

• Як одна людина самостійно змінила курс історії своїми блискучими ідеями?

«Невідомий компонент»

Людмила Трубилко, викладач фізики вищої категорії, пояснила це питання: «Надзвичайно точні вимірювання покладаються на хитромудру шкалу відстаней в астрономії. Перший ступінь складається зі стандартних свічок в нашій галактиці і навколо неї, які мають чітко визначену світність і досить близькі, щоб демонструвати паралакс - єдиний надійний спосіб визначити, наскільки далеко об'єкти, що не подорожуючи туди. Потім астрономи порівнюють яскравість цих стандартних свічок з яскравістю більше тьмяних свіч в сусідніх галактиках, щоб визначити відстань до них. Це друга сходинка сходів. Вимірювання відстані до галактики, яка містить яскраві зоряні вибухи, звані надновими типу 1a, дозволяє космологам оцінити відносні відстані до більш далеких галактик, що містять більш слабкі наднові типу 1a. Ставлення швидкостей цих далеких галактик до їх відстаням дає швидкість космічного розширення ».

Таким чином, паралакси мають вирішальне значення для всієї конструкції. «Ви змінюєте першу сходинку», - каже Трубилко. - «Потім все, що слідує за нею, теж змінюється. Якщо ви зміните точність першого кроку, зміниться точність всього іншого ».

Фізик з надією дивиться на відкриття своїх колег і бачить великий потенціал даних Gaia: «Параллакси Gaia, безумовно, є найбільш інноваційним і точним визначенням відстані з коли-небудь існували. Нові дані дають астрономам нову надію. Вони, схоже, дійсно коректні при уважних підрахунках і повністю змінюють те, як ми дивимося на напругу Хаббла. Якщо у всесвіті є якийсь невідомий нам компонент, який вийде виявити, то це буде відкриттям століття ».

Джерело