Более 90 лет назад астроном Эдвин Хаббл заметил первый намек на скорость расширения Вселенной, названную постоянной Хаббла. Почти сразу астрономы начали спорить о реальном значении этой постоянной и со временем поняли, что существует несоответствие между наблюдениями ранней Вселенной и наблюдениями поздней Вселенной. Для разных периодов истории постоянная оказалась не такой уж и постоянной.
В начале существования Вселенной свет перемещался через плазму — звезд еще не было — и из колебаний, подобных звуковым волнам, созданным этим, ученые пришли к выводу, что постоянная Хаббла была около 67. Это означает, что Вселенная расширяется примерно на 67 километров в секунду быстрее, чем 3,26 миллиона световых лет (общепринятое значение константы).
Но это наблюдение отличается, когда ученые смотрят на более позднюю жизнь Вселенной после рождения звезд и образования галактик. Гравитация этих объектов вызывает так называемое гравитационное линзирование, которое искажает свет между удаленным источником и его наблюдателем. Другие явления в этой поздней вселенной включают экстремальные взрывы и события, связанные с окончанием жизни звезды. Основываясь на этих наблюдениях за более поздней жизнью, ученые вычислили другое значение, около 74. Это несоответствие называется напряжением Хаббла.
Теперь международная группа, в которую входят физик из Мичиганского университета, проанализировала базу данных о более чем 1000 взрывах сверхновых, поддерживая идею о том, что постоянная Хаббла на самом деле может не быть постоянной.
Вместо этого она может измениться в зависимости от расширения Вселенной, увеличиваясь по мере расширения Вселенной. Это объяснение, вероятно, требует новой физики для объяснения возрастающей скорости расширения, такой как модифицированная версия гравитации Эйнштейна. Результаты работы команды опубликованы в Astrophysical Journal.
Исследователи использовали набор данных о сверхновых — впечатляющих взрывах, которые отмечают заключительный этап жизни звезды. Когда они светят, они излучают определенный тип света. В частности, исследователи изучали сверхновые типа Ia. Эти типы сверхновых звезд были подробно изучены, что привелок обнаружениют того, что Вселенная расширяется и ускоряется. Такие сверхновые известны как "стандартные свечи", как серия маяков с одной и той же лампочкой. Если ученым известна их светимость, они могут рассчитать расстояние до них, наблюдая их интенсивность в небе.
Затем астрономы используют так называемое "красное смещение", чтобы вычислить, как скорость расширения Вселенной могла увеличиваться с течением времени. Красное смещение — это название явления, которое происходит, когда свет расширяется при расширении Вселенной. Суть первоначального наблюдения Хаббла состоит в том, что чем дальше от наблюдателя, тем больше увеличивается длина волны — как если бы вы прикрепили пружину к стене и отошли от нее, держа один конец в руках. Красное смещение и расстояние связаны.
В новом исследовании группы ученых каждая ячейка звезд имеет фиксированное эталонное значение красного смещения. Сравнивая красное смещение каждого набора звезд, исследователи могут извлечь постоянную Хаббла для каждого из разных интервалов.
В своем анализе исследователи разделили эти звезды на основе интервалов красного смещения. Они поместили звезды на одном интервале расстояний в одну "ячейку", затем равное количество звезд на следующем интервале расстояний в другую ячейку и так далее. Чем ближе пустая ячейка к Земле, тем моложе звезды.
Если постоянная Хаббла — это константа, то она не должна отличаться, когда мы извлекаем ее из ячеек на разном расстоянии. Но итоговый результат состоит в том, что значение фактически меняется с расстоянием. Напряжение постоянной Хаббла можно объяснить некоторой внутренней зависимостью этой константы от расстояния до объектов, которые вы используете.
Кроме того, исследователи обнаружили, что их анализ изменения постоянной Хаббла с красным смещением позволяет им плавно "связать" значение постоянной из зондов ранней вселенной и значение из зондов поздней вселенной. Извлеченные параметры все еще совместимы со стандартным космологическим представлением, которое у нас есть. Но на этот раз они просто немного сдвигаются, когда мы меняем расстояние, и этого небольшого сдвига достаточно, чтобы объяснить, почему у нас такое напряжение.
Исследователи говорят, что есть несколько возможных объяснений этого очевидного изменения постоянной Хаббла, одно из которых — возможность систематических ошибок наблюдений в выборке данных. Чтобы исправить возможные ошибки, астрономы используют Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru для наблюдения более слабых сверхновых на большой площади. Данные этого инструмента увеличат выборку наблюдаемых сверхновых из отдаленных регионов и уменьшат неопределенность в данных.