Это изображение NGC 5468, галактики, расположенной примерно в 130 миллионах световых лет от Земли, объединяет данные космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Это самая дальняя галактика, в которой Хаббл обнаружил переменные звезды цефеиды. Это важные вехи для измерения скорости расширения Вселенной. Расстояние, рассчитанное по цефеидам, было перекрестно коррелировано со сверхновой типа Ia в галактике. Сверхновые типа Ia настолько яркие, что их используют для измерения космических расстояний далеко за пределами диапазона цефеид, расширяя измерения скорости расширения Вселенной глубже в космос. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, STScI, Адам Г. Рисс (JHU, STScI)
Расхождение в измерениях постоянной Хаббла, известное как «Натяжение Хаббла», остается серьезной загадкой в космологии. Космический телескоп Джеймса Уэббаподтверждение Космический телескоп Хабблданные укрепили лестницу космических расстояний точность и предположил, что несоответствие может указывать на неизвестные космические явления, требующие дальнейшего исследования.
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 Большой взрыв. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА/ЕКА/ККА подтвердил, что зоркий глаз космического телескопа Хаббл был прав с самого начала, уничтожив любые сомнения относительно измерений Хаббла.
Исторические достижения Хаббла
Одним из научных обоснований создания космического телескопа «Хаббл» НАСА/ЕКА было использование его наблюдательных возможностей для определения точного значения скорости расширения Вселенной. До запуска Хаббла в 1990 году наблюдения с наземных телескопов давали огромную неопределенность. В зависимости от значений, полученных для скорости расширения, возраст Вселенной может составлять от 10 до 20 миллиардов лет. За последние 34 года Хаббл сократил это измерение до точности менее одного процента, разделив разницу на значение возраста в 13,8 миллиарда лет. Это было достигнуто путем уточнения так называемой «лестницы космических расстояний» путем измерения важных маркеров, известных как переменные звезды цефеиды.
Решение проблемы Хаббла с Уэббом
Однако значение Хаббла не согласуется с другими измерениями, которые предполагают, что Вселенная после Большого взрыва расширялась быстрее. Эти наблюдения были сделаны спутником ЕКА «Планк» с помощью картографирования космического микроволнового фонового излучения – модели того, как Вселенная будет развивать структуру после того, как она остынет в результате Большого взрыва.
Простым решением дилеммы было бы сказать, что, возможно, наблюдения «Хаббла» ошибочны из-за некоторой неточности, вкравшейся в измерения параметров глубокого космоса. Затем появился космический телескоп Джеймса Уэбба, позволивший астрономам перепроверить результаты Хаббла. Инфракрасные изображения цефеид, полученные Уэббом, согласуются с данными оптического излучения Хаббла. Уэбб подтвердил, что зоркий глаз телескопа «Хаббл» с самого начала был прав, уничтожив любые сомнения относительно измерений Хаббла.
В центре этих изображений находится особый класс звезд, используемый в качестве ориентира для измерения скорости расширения Вселенной – переменная звезда цефеида. Эти два изображения очень пикселизированы, потому что они представляют собой очень увеличенное изображение далекой галактики. Каждый из пикселей представляет одну или несколько звезд. Изображение космического телескопа Джеймса Уэбба значительно более четкое в ближнем инфракрасном диапазоне, чем изображение Хаббла (который в основном представляет собой телескоп видимого ультрафиолета). Уменьшая беспорядок благодаря более четкому видению Уэбба, цефеида выделяется более четко, устраняя любую потенциальную путаницу. Уэбба использовали для изучения образца цефеид, и он подтвердил точность предыдущих наблюдений Хаббла, которые имеют основополагающее значение для точного измерения скорости расширения и возраста Вселенной. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, STScI, Адам Г. Рисс (JHU, STScI)
Космические тайны и теоретические проблемы
Суть в том, что так называемое Хаббловское напряжение между тем, что происходит в соседней Вселенной, и расширением ранней Вселенной остается мучительной загадкой для космологов. Возможно, в ткань космоса вплетено что-то такое, чего мы еще не понимаем.
Требует ли разрешение этого несоответствия новой физики? Или это результат ошибок измерения между двумя разными методами, используемыми для определения скорости расширения пространства?
Хаббл и Уэбб теперь объединились для проведения точных измерений, что подтверждает предположение о том, что на скорость расширения влияет что-то еще, а не ошибки измерений.
Достижения в космических наблюдениях
«Если ошибки измерений сведены на нет, остается реальная и захватывающая возможность того, что мы неправильно поняли Вселенную», — сказал Адам Рисс, физик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Адам получил Нобелевскую премию за открытие того факта, что расширение Вселенной ускоряется благодаря загадочному явлению, которое теперь называется «темной энергией».
В качестве перекрестной проверки первоначальное наблюдение Уэбба в 2023 году подтвердило точность измерений расширяющейся Вселенной, сделанных Хабблом. Однако, надеясь снять Хаббловское напряжение, некоторые учёные предположили, что невидимые ошибки в измерениях могут вырасти и стать видимыми по мере того, как мы смотрим глубже во Вселенную. В частности, звездное скопление может систематически влиять на измерения яркости более отдаленных звезд.
Совместная проверка и будущие направления
Команда SH0ES (Сверхновая H0 для уравнения состояния темной энергии) под руководством Адама получила дополнительные наблюдения с помощью Уэбба объектов, которые являются критическими космическими маркерами, известными как переменные звезды цефеиды, которые теперь можно коррелировать с данными Хаббла.
«Теперь мы охватили весь диапазон того, что наблюдал Хаббл, и можем с очень высокой уверенностью исключить ошибку измерения как причину Хаббловского напряжения», — сказал Адам.
Первые несколько наблюдений команды Уэбба в 2023 году оказались успешными и показали, что Хаббл находится на правильном пути и твердо устанавливает точность первых ступенек так называемой лестницы космических расстояний.
На этой иллюстрации показаны три основных шага, которые астрономы используют для расчета скорости расширения Вселенной с течением времени, величины, называемой постоянной Хаббла. Все шаги включают построение прочной «лестницы космических расстояний», начиная с измерения точных расстояний до ближайших галактик, а затем переходя к галактикам все дальше и дальше. Эта «лестница» представляет собой серию измерений различных видов астрономических объектов с собственной яркостью, которую исследователи могут использовать для расчета расстояний. Одними из наиболее надежных для более коротких расстояний являются переменные цефеиды, звезды, которые пульсируют с предсказуемой скоростью, что указывает на их внутреннюю яркость. Астрономы недавно использовали космический телескоп Хаббл для наблюдения за 70 переменными цефеид в близлежащем Большом Магеллановом Облаке, чтобы наиболее точно измерить расстояние до этой галактики. Астрономы сравнивают размеры близлежащих цефеид с измерениями в более далеких галактиках, которые также включают в себя еще один космический критерий — взрывающиеся звезды, называемые сверхновыми типа Ia. Эти сверхновые намного ярче переменных цефеид. Астрономы используют их как «маркеры вех», чтобы измерить расстояние от Земли до далеких галактик. Каждый из этих маркеров основан на предыдущем этапе «лестницы». Расширяя лестницу с помощью различных видов надежных указателей, астрономы могут достичь очень больших расстояний во Вселенной. Астрономы сравнивают эти значения расстояний с измерениями света всей галактики, который с расстоянием становится все более красным из-за равномерного расширения пространства. Затем астрономы смогут рассчитать, насколько быстро расширяется космос: постоянную Хаббла. Авторы: НАСА, ЕКА и А. Фейлд (STScI).
Тонкости космической лестницы расстояний
Астрономы используют различные методы измерения относительных расстояний во Вселенной, в зависимости от наблюдаемого объекта. В совокупности эти методы известны как лестница космических расстояний — каждая ступенька или метод измерения опирается на предыдущий шаг калибровки.
Но некоторые астрономы предположили, что при движении вперед по «второй ступеньке» лестница космических расстояний может пошатнуться, если измерения цефеид станут менее точными с увеличением расстояния. Такие неточности могут возникнуть из-за того, что свет цефеиды может смешиваться со светом соседней звезды – эффект, который может стать более выраженным с расстоянием, поскольку звезды сбиваются в кучу на небе и их становится труднее отличить друг от друга.
Проблема наблюдений заключается в том, что прошлые изображения этих более удаленных переменных цефеид, полученные Хабблом, выглядят более сгущенными и перекрывающимися с соседними звездами на все больших расстояниях между нами и их родительскими галактиками, что требует тщательного учета этого эффекта. Наличие пыли еще больше усложняет точность измерений в видимом свете. Уэбб прорезает пыль и естественным образом изолирует цефеиды от соседних звезд, поскольку его зрение в инфракрасных длинах волн острее, чем у Хаббла.
«Объединение Уэбба и Хаббла дает нам лучшее из обоих миров. Мы обнаруживаем, что измерения Хаббла остаются надежными по мере того, как мы поднимаемся дальше по лестнице космических расстояний», — сказал Адам.
Новые наблюдения Уэбба включают пять галактик-хозяев восьми сверхновых типа Ia, содержащих в общей сложности 1000 цефеид, и достигают самой дальней галактики, где цефеиды были хорошо измерены, — NGC 5468, находящейся на расстоянии 130 миллионов световых лет. «Это охватывает весь диапазон, в котором мы проводили измерения с помощью Хаббла. Итак, мы подошли к концу второй ступеньки лестницы космических расстояний», — сказал соавтор Гагандип Ананд из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который управляет телескопами Уэбба и Хаббла. НАСА.
Совместное подтверждение Хабблом и Уэббом Хаббловского напряжения дает возможность другим обсерваториям, возможно, разгадать тайну, включая предстоящий НАСА Романский космический телескоп Нэнси Грейс и недавно запущенную миссию ЕКА «Евклид».
В настоящее время это похоже на то, как если бы лестница расстояний, наблюдаемая Хабблом и Уэббом, прочно установила точку привязки на одном берегу реки, а послесвечение Большого взрыва, наблюдаемое Планком с начала Вселенной, прочно установилось на другой стороне. Как менялось расширение Вселенной за миллиарды лет между этими двумя конечными точками, еще предстоит наблюдать напрямую. «Нам нужно выяснить, не упускаем ли мы чего-то в том, как связать начало Вселенной и наши дни», — сказал Адам.
Эти результаты были опубликованы в выпуске журнала от 6 февраля 2024 г. Письма в астрофизическом журнале.
Ссылка: «Наблюдения JWST отвергают непризнанное скопление фотометрических цефеид как объяснение напряжения Хаббла при доверительной уверенности 8σ», Адам Г. Рисс, Гагандип С. Ананд, Венлун Юань, Стефано Казертано, Эндрю Дельфин, Лукас М. Макри, Луиза Бреваль, Дэн Сколник, Маршалл Перрин и Ричард И. Андерсон, 6 февраля 2024 г., Письма из астрофизического журнала.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad1ddd