Вселенная помолодела

Когда говорят, что нашей Вселенной 13,7 миллиардов лет, обычно забывают указать неточность, с которой определена эта величина. А неопределённость эта складывается из множества составляющих и в итоге достигает примерно 6–7%, если принимать стандартную на сегодняшний день космологическую модель, а то и всех 15%, если «отпустить» параметры. Так что астрономам на деле следовало бы писать, что нашему миру примерно от 12 до 15 миллиардов лет, и не смешить метрологов выписыванием трёх значащих цифр для этого плохо измеренного параметра.

Тем не менее, установить некоторый «канонический» возраст удобно. Дело в том, что эволюцию Вселенной в относительных величинах мы представляем себе очень неплохо. Например, можно без зазрения совести утверждать, что гамма-всплеск GRB 090423, являющийся на данный момент самым далёким видимым объектом во Вселенной, произошёл, когда возраст нашего мира составлял 4,6% от нынешнего. А вот говорить, что он случился 13,1 миллиарда лет назад – некоторое лукавство. По-хорошему, в таких случаях всегда надо добавлять «принимая возраст Вселенной равным 13,7 миллиарда лет», а для полных педантов потребуется дополнение «и стандартную космологическую модель».

Задача определения абсолютного возраста мира упирается в измерение современного значения так называемой постоянной Хаббла, H₀, определяющей истинную, метрически выраженную, скорость расширения нашего мира.

Эта величина показывает насколько галактики, которые расположены дальше от нас, быстрее от нас убегают.

Например, если постоянная Хаббла равна 70 км/c на мегапарсек (H₀=70 км/c/Мпк), то галактики, которые мы видим на расстоянии в 10 Мпк, убегают от нас со средней скоростью 700 км/c, а галактики, которые мы видим на расстоянии в 11 Мпк – со скоростью 770 км/c. Там, где скорость расширения достигает скорости света, находится «граница» нашего мира, за которой мы уже ничего не видим, и чем больше значение H₀, тем ближе этот горизонт, и тем моложе наша Вселенная.

Чтобы определить постоянную Хаббла надо, очевидно, измерить скорость галактик и расстояние до них. С первым проблем нет: смещение линий в спектрах объектов из-за эффекта Доплера позволяет легко и непринуждённо вычислить скорость убегания.

А вот определение расстояний в астрономии – большая проблема. Дотянуть линейку невозможно ни до одного небесного объекта, возможности радарного и лазерного зондирования ограничиваются пределами Солнечной системы, а дальше приходится выстраивать целую «лестницу» космических расстояний, в которой каждая новая ступенька опирается на предыдущую. И если вы ошибочно измерили расстояние от Земли до Солнца, то эта ошибка будет присутствовать и в расстояниях до звёзд, и в расстояниях до далёких галактик, и в возрасте нашего мира.

Учёные из США и Великобритании под руководством Адама Рисса из американского Университета имени Джона Хопкинса провели самую точную на сегодняшний день такую оценку. Для этого они воспользовались космическим телескопом имени Хаббла (того же американского астронома, в честь которого названа постоянная). Работа учёных (PDF-файл) вскоре будет опубликована в Astrophysical Journal.

Как оказалось, «канонический» возраст Вселенной надо чуть сократить.

Примерно до 13,1 миллиарда лет: постоянная Хаббла H₀=74,2 км/c/Мпк – чуть больше, чем ранее считалось. И точность определения этой величины теперь составляет около 5%, даже если не ограничивать себя рамками стандартной космологической модели.

«Лестница космических расстояний» Рисса и его коллег состоит из трёх основных ступенек. На первой ступени находится галактика NGC 4258 (или M 106), расположенная в созвездии Гончих Псов. Вокруг чёрной дыры, расположенной в её центре, крутится диск вещества, в состав которого входят молекулы воды. Эти молекулы излучают очень тонкие, так называемые мазерные линии, по которым можно точно измерить скорость вращения диска. Несложная геометрия этого движения и точные наблюдения с помощью радиотелескопов позволили астрономам вычислить расстояние до галактики, которое составляет 7,2 Мпк (примерно 23 миллиона световых лет).

Это измерение, в свою очередь, позволило очень точно определить истинную светимость переменных звёзд из класса цефеид. Для этих периодически пульсирующих звёзд известна чёткая зависимость: чем больше период колебаний, тем больше истинный блеск. Период колебаний померить несложно: острое зрение телескопа имени Хаббла позволяет построить кривые блеска для отдельных звёзд в этой не такой уж близкой галактике. А по среднему наблюдаемому блеску и точно измеренному расстоянию учёные восстановили и истинный блеск цефеид, который понадобился для калибровки следующей ступеньки «лестницы».

На ней оказались 6 галактик на промежуточных расстояниях, в которых ещё видны отдельные цефеиды и в которых за последние три десятилетия вспыхивали сверхновые типа Ia. Расстояния до этих галактик определили по видимому среднему блеску переменных звёзд и их светимости, используя закон, откалиброванный на предыдущей ступеньке.

При этом ключевым является то обстоятельство, что цефеиды во всех 7 галактиках наблюдались одним и тем же инструментом.

А значит, взаимные расстояния до 6 галактик – и сверхновых в них – прочно опираются на расстояние до NGC 4258, определённое точным геометрическим методом.

Из этих измерений и наблюдаемого блеска сверхновых типа Ia Рисс и его коллеги вывели истинную светимость последних. Эта величина практически постоянна, так как соответствует взрыву белого карлика, который «перебрал» вещества со звезды-соседки и взорвался. Предел, за которым следует взрыв, одинаков для всех звёзд, потому одинакова и светимость.

После этого оставалось лишь сравнить скорости удаления далёких галактик, в которых сверхновые ещё видны, а цефеиды – уже нет, с наблюдаемым блеском сверхновых, что, благодаря чётко определённой предыдущей ступеньке, тут же даёт расстояние. Поделив разницу в скорости на разницу в расстоянии, учёные получили новое значение постоянной Хаббла H₀.

Примечательно, что эта оценка прямая и не зависит от космологической модели. И следовательно, сравнивая её с теми оценками, которые от модели зависят, можно протестировать сами модели.

Именно это и сделали учёные на последнем этапе своей работы. Результаты показывают, что стандартная космологическая модель – так называемая ΛCDM-модель – пока держит удар. Она предполагает, что наша Вселенная плоская, наполнена холодной тёмной материей, и содержит загадочную «космологическую постоянную» Λ, которая последние несколько миллиардов лет заставляет наш мир расширяться с ускорением.

По данным Рисса и его коллег, Λ – величина действительно постоянная на протяжении большей части жизни Вселенной. Если быть более точным, то новые данные показывают, что так называемое уравнение состояния w+1, показывающее степень переменности Λ, равно нулю с точностью +/-12%. До сих пор этот параметр был известен почти втрое хуже.

В настоящее время та же команда планирует улучшить точность определения космологических параметров минимум в 5 раз. И в этом проекте они рассчитывают на помощь космического телескопа имени Хаббла. В понедельник с последней ремонтной миссией к 18-летнему космическому аппарату отправится шаттл Atlantis. Астрономы скрещивают пальцы, чтобы всё прошло благополучно.