Решил в рамках немного подзабытого и подзаброшенного #ликбеза написать цикл постов под рабочим назвванием «Тысяча и одна проблема современной астрофизики». Темы будут разные и перемешаны как винегрет — так веселее. Начнем глобально, с «Hubble tension».
Как нам всем известно со школы (или из моего поста вот туть), Эдвин Хаббл в 1929 году опубликовал свою работу по измерению расстояний и скоростей до ближайших галактик. Оказалось, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее она улетает, пропорционально постоянной Хаббла, H_0. Эта «постоянная» показывает насколько быстро расширяется Вселенная: чем больше H_0, тем быстрее происходит расширение. У товарища Хаббла получилось что-то совсем большое типа 500 км/с/Мпк (да, тут вот такие странные единицы измерения), но выборка у него была небольшой, а погрешности ощутимые.
Последние 100 лет все хотят измерить H_0 точнее. Сделать это можно различными способами, вот два основных:
1. По звездам.
Смысл в том, чтобы поэтапно построить так называемую «шкалу космических расстояний» от нас и до дальних галактик. Первый этап: внутри нашей Галактики нужно очень точно измерить расстояния (и светимость) до большого количества ярких звезды с известными свойствами: цефеиды или красные гиганты. Второй этап: в ближайших галактиках ищешь такие же звезды. Так как их светимость известна и уменьшается с расстоянием согласно закону обратных квадратов, то вычисляем расстояния до ближайших галактик. Третий этап: когда звезды в более далеких галактиках неразличимы, используем взрывы сверхновых типа Ia — у них известная светимость, обусловленная определенными физическими свойствами. Используем тот же закон обратных квадратов чтобы вычислить расстояние. Четвертый этап: получаем спектры этих всех галактик и измеряем их красное смещение, по которому вычисляем их скорость. Вуаля! ваш Хаббловский закон для «локальной» Вселенной готов. Из него получаем H_0.
2. По реликтовому излучению (CMB).
Тут все «просто»: берете реликтовое излучение и телескоп, который может измерять в нем малейшие неравномерности (например, Planck). До того как реликтовое излучение улетело во Вселенную, оно было «заперто в одной комнате с веществом», представлявшим тогда горячий плазменный бульон. В нем шла постоянная борьба: гравитация пыталась сжать сгустки материи, а давление фотонов наоборот толкало плазму обратно. Эта борьба порождала акустические колебания - волны в плазме. В момент отделения реликтового излучения от вещества было достигнуто максимально возможное расстояние (звуковой горизонт), на которое акустические волны могли распространиться. Волны эти оказазались «вмороженными» в распределение материи во Вселенной. Самое интересное — мы можем довольно легко и точно вычислить звуковой горизонт из соображений ядерной и плазменной физики. Но Вселенная же расширилась за ~13 млрд лет, а значит и застывшие волны в распределении материи тоже. С помощью Планка мы можем измерить их угловой размер на небе сейчас, сравнить его с теоретическим в момент отделения реликтового излучения и получить расстояние, с которого к нам пришло реликтовое излучение. А дальше мы закладываем известную пропорцию материи и темной энергии в уравнения Эйнштейна, «прокручиваем» расширение Вселенной от древних времен до сегодняшнего дня и вычисляем, с какой скоростью она должна расширяться прямо сейчас — получаем всё ту же H_0.
Проблема в том, что полученные значения не сходятся (см. картинку где «локальные» измерения показаны синим цветом, а на основе CMB — красным) — так называемый «Hubble tension». Кстати, другие «локальные» методы (например, через грав. линзирование — коллаборация H0LiCOW) также не согласуются с CMB. И вроде абсолютная разница небольшая, но статистически она огромна. Все измерения проверенны тысячу раз и пока ошибок не найдено. Это наводит на мысль о том, что стандартная космологическая модель упускает какую-то «новую физику» в ранней Вселенной. Как вариант, свойства темной энергии, ответственной за ускоренное расширение Вселенной, отличаются «сейчас» и «тогда». Пока решения нет.
Продолжаем наблюдение..