Вимірювання «Вебба» проливають нове світло на десятирічну таємницю.
Швидкість, з якою розширюється Всесвіт, відома як постійна Габбла, є одним із фундаментальних параметрів для розуміння його еволюції та остаточної долі. Однак між її значенням, визначеним за допомогою різних методів вимірювання відстаней в космосі, і передбаченим на основі «післясвітіння» Великого Вибуху, існує стійка різниця, яку астрономи називають напругою Габбла. Космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope) підтвердив, що гостре «око» телескопа «Габбл» весь час не підводило науковців, і розвіяв будь-які сумніви щодо вимірювань, виконаних за допомогою «Габбла».
Одним із наукових обґрунтувань створення Космічного телескопа імені Габбла було використання його спостережних можливостей для отримання точного значення швидкості розширення Всесвіту. До запуску «Габбла» в 1990 році спостереження за допомогою наземних телескопів давали величезну невизначеність. Залежно від значень, визначених для швидкості розширення Всесвіту, йому могло бути десь від 10 до 20 мільярдів років. За останні 34 роки «Габбл» зменшив похибку вимірювання сталої Габбла до точності менше одного відсотка. Так астрономи з’ясували, що вік Всесвіту становить 13,8 мільярдів років. Це було досягнуто шляхом уточнення так званої «драбини космічних відстаней» («cosmic distance ladder»), тобто вимірювання відстаней до важливих її покажчиків, відомих як змінні зорі цефеїди.
Однак значення, виміряне за допомогою «Габбла», не узгоджується з іншими вимірюваннями, які вказують на те, що після Великого Вибуху Всесвіт розширювався швидше. Ці спостереження були зроблені супутником Європейського космічного агентства «Планк» (Planck), який дав змогу побудувати мапу розподілу космічного мікрохвильового фонового випромінювання. Цей розподіл вказує на те, як розвивалися структури у Всесвіті після того, як він охолонув після Великого Вибуху.
Просте рішення дилеми полягало б у тому, щоб сказати: можливо, спостереження «Габбла» є помилковими через певну неточність, яка проникає в його вимірювання відстаней до об’єктів далекого космосу. Потім з’явився космічний телескоп Джеймса Вебба, що дав змогу астрономам перевірити результати «Габбла». Інфрачервоні зображення цефеїд, отримані «Веббом», узгоджуються з даними від «Габбла», отриманими в оптичному світлі. «Вебб» підтвердив, що гостре «око» телескопа «Габбл» весь час не підводило науковців, і розвіяв будь-які сумніви щодо вимірювань, виконаних за допомогою «Габбла».
Суть полягає в тому, що так звана напруга Габбла між тим, що відбувається в місцевому Всесвіті, як порівняти з раннім Всесвітом, лишається неприємною загадкою для космологів. Можливо, в «тканину» космосу вплетено щось таке, чого ми ще не розуміємо. Можливо, вирішення цієї невідповідності потребує нової фізики? Або це результат помилок вимірювання між двома різними методами, які використовуються для визначення швидкості розширення простору?
«Габбл» і «Вебб» тепер об’єдналися для виконання остаточних вимірювань, підтверджуючи те, що на швидкість розширення впливає щось інше, а не помилки вимірювань.
У центрі цих двох зображень міститься зоря особливого типу зір, які астрономи використовують як покажчики для вимірювання швидкості розширення Всесвіту — змінна зоря цефеїда. Знімки дуже піксельні, щоб побачити зображення далекої галактики. Кожен з пікселів — це одна або більше зір. Зображення, отримане космічним телескопом Джеймса Вебба, є значно чіткішим у ближньому інфрачервоному діапазоні, ніж від телескопа «Габбла» (він переважно спостерігає у видимому та ультрафіолетовому світлі). Зображення від «Вебба» зменшує невизначеність, бо цефеїда виділяється чіткіше, що усуває будь-яку потенційну плутанину. «Вебб» використовували для вивчення обраних цефеїд і це дало змогу підтвердити точність попередніх спостережень «Габбла», які є фундаментальними для точного вимірювання швидкості розширення та віку Всесвіту. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI). Фото з сайту https://esawebb.org.
«Після усунення помилок вимірювань лишається реальна й захоплива можливість того, що ми неправильно зрозуміли Всесвіт», — сказав Адам Рісс (Adam Riess), фізик з Університету Джона Гопкінса в Балтіморі. Рісс отримав Нобелівську премію за відкриття того факту, що розширення Всесвіту прискорюється завдяки таємничому явищу, яке зараз називають «темною енергією».
Як перехресна перевірка, початкове спостереження «Вебба», виконане в 2023 році, підтвердило: вимірювання «Габбла» щодо розширення Всесвіту були точними. Проте, сподіваючись зняти напругу Габбла, деякі науковці припустили, що незначні помилки у вимірюваннях можуть зростати та ставати суттєвими, коли ми дивимось глибше у Всесвіт. Зокрема, скупченість зір може систематично впливати на вимірювання яскравості більш віддалених цефеїд.
Наукова група SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) під керівництвом Рісса виконала за допомогою «Вебба» додаткові спостереження цефеїд, які можна співвіднести з даними від «Габбла». «Тепер ми охопили весь діапазон спостережень “Габбла”, і ми можемо з дуже високою впевненістю виключити помилку вимірювання як причину напруги Габбла», — сказав Рісс.
Астрономи використовують різні методи для вимірювання відносних відстаней у Всесвіті залежно від об’єкта, який спостерігають. Сукупно ці методи відомі як космічна драбина відстані — кожна сходинка або техніка вимірювання спирається на попередній крок для калібрування.
Але деякі астрономи припустили, що, просуваючись назовні вздовж «другої сходинки», драбина космічних відстаней може стати хиткою, якщо вимірювання відстаней до віддалених цефеїд стануть менш точними. Такі неточності можуть виникати через те, що світло цефеїди може змішуватися зі світлом сусідньої зорі — ефект, який може бути виразнішим із відстанню, коли зорі скупчуються на небі, і їх стає важче відрізнити одна від одної.
Проблема спостережень полягає в тому, що отримані раніше телескопом «Габбла» зображення віддаленіших змінних зір цефеїд перекривають сусідні зорі на все більших відстанях між нами та їхніми материнськими галактиками, що вимагає ретельно враховувати цей ефект. Поява пилу ще більше ускладнює точність вимірювань у видимому світлі. «Вебб» прорізає пил і природним чином ізолює цефеїди від сусідніх зір, оскільки його зір є гострішим, ніж у «Габбла», в інфрачервоному діапазоні хвиль.
«Поєднання “Вебба» і «Габбла» дає нам найкращий результат. Ми виявили, що вимірювання «Габбла» надійні, коли ми піднімаємося далі сходами драбини космічних відстаней», — сказав Рісс.
За допомогою «Вебба» науковці спостерігали п’ять галактик, де було зареєстровано вісім наднових типу Ia, і які містять загалом 1000 цефеїд. Найдальша галактика, де цефеїди були добре виміряні — NGC 5468, міститься на відстані 130 мільйонів світлових років. «Це охоплює весь діапазон, де ми виконували вимірювання за допомогою Hubble. Отже, ми дісталися кінця другої сходинки драбини космічних відстаней», — сказав співавтор дослідження Ґаґандіп Ананд (Gagandeep Anand) з Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі. Цей інститут керує телескопами «Вебба» та «Габбла» від імені NASA.
Сумісне підтвердження «Габблом» і «Веббом» напруги Габбла спрямовує інші обсерваторії, зокрема майбутній космічний телескоп Ненсі Грейс Роман NASA та нещодавно розпочату місію «Евклід» (Euclid) Європейського космічного агентства, на те, щоб, можливо, вирішити цю таємницю.
Наразі складається враження, ніби драбина відстаней, яку спостерігали «Габбл» і «Вебб», міцно встановлена на одному березі річки, а післясвітіння Великого Вибуху, яке спостерігав «Планк» в ранньому Всесвіті, твердо встановлено на іншому боці. Як змінювалося розширення Всесвіту протягом мільярдів років між цими двома кінцевими точками, ще належить встановити зі спостережень. «Нам треба з’ясувати, чи не губимо ми щось, коли намагаємося пов’язати початок Всесвіту та його сьогодення», — сказав Рісс.
За інф. з сайту https://esawebb.org
