Ученые уточняют, насколько быстро расширяется Вселенная

Автор оригинала: Jim Melvin, Clemson University
  • Перевод
image
Анализ, проведенный группой, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с помощью телескопов из массива черенковских телескопов.

Используя самые современные технологии и методы, команда астрофизиков Университета Клемсона добавила новый подход к количественному определению одного из самых фундаментальных законов Вселенной.

Ученые Клемсона Марко Аджелло, Абхишек Десаи, Леа Маркотулли и Дитер Хартманн совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла — единицы измерения, используемой для описания скорости расширения Вселенной.

«Космология — это понимание эволюции нашей Вселенной: как она развивалась в прошлом, что она делает сейчас и что произойдет в будущем, — сказал Аджелло, доцент кафедры физики и астрономии колледжа науки. – Наши знания основаны на ряде параметров, включая постоянную Хаббла, которые мы стремимся измерить как можно точнее. В этой статье наша команда проанализировала данные, полученные как с орбитальных, так и с наземных телескопов, чтобы получить одно из новейших измерений скорости расширения Вселенной.»

Концепция расширяющейся Вселенной была выдвинута американским астрономом Эдвином Хабблом (1889—1953). В начале XX века Хаббл стал одним из первых астрономов, который пришел к выводу, что Вселенная состоит из множества галактик. Его последующие исследования привели к самому известному открытию: галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию до них.

Первоначально Хаббл оценивал скорость расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, при этом мегапарсек был эквивалентен примерно 3,26 миллиона световых лет. Хаббл пришел к выводу, что галактика, находящаяся в двух мегапарсеках от нашей галактики, удаляется в два раза быстрее, чем галактика, находящаяся всего в одном мегапарсеке. Эта оценка стала известна как постоянная Хаббла, которая впервые доказала, что Вселенная расширяется.

С помощью постоянно совершенствующихся технологий астрономы пришли к измерениям, которые значительно отличались от первоначальных расчетов Хаббла — замедление скорости расширения до 50-100 километров в секунду на мегапарсек. А в последнее десятилетие сверхсовременные приборы, такие как спутник Планка, значительно повысили точность первоначальных измерений Хаббла.

В статье, озаглавленной «Новое измерение постоянной Хаббла и содержания вещества во Вселенной с использованием внегалактического фонового ослабления гамма-излучения», группа сравнила последние данные об ослаблении гамма-лучей с помощью космического телескопа Ферми и атмосферных телескопов Черенкова, чтобы разработать свои оценки на основе моделей внегалактического фонового света. Эта новая стратегия привела к измерению, равному приблизительно 67,5 километров в секунду на мегапарсек.

Гамма-лучи — самая высокоэнергетическая форма света. Внегалактический фоновый свет (EBL) — это космический туман, состоящий из всего ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, испускаемого звездами или пылью в их окрестностях. Когда гамма-лучи и EBL взаимодействуют, они оставляют заметный отпечаток — постепенную потерю потока, который ученые смогли проанализировать при формулировании своей гипотезы.

image
Ученые Марко Аджелло (Marco Ajello), Абхишек Десаи (Abhishek Desai), Леа Маркотулли (Lea Marcotulli) и Дитер Хартманн (Dieter Hartmann) совместно с шестью другими учеными по всему миру разработали новое измерение постоянной Хаббла.

«Астрономическое сообщество вкладывает очень большие деньги и ресурсы в создание точной космологии со многими различными параметрами, включая постоянную Хаббла, — сказал Дитер Хартманн, профессор физики и астрономии. — Наше понимание этих фундаментальных констант определило Вселенную такой, какой мы ее знаем сейчас. Когда наше понимание законов становится более точным, наше определение Вселенной также становится более точным, что приводит к новым озарениям и открытиям.»

Распространенной аналогией расширения Вселенной является воздушный шар, усеянный точками, причем каждая точка представляет собой галактику. Когда шар надувается, пятна распространяются все дальше и дальше друг от друга.

«Некоторые теоретики предполагают, что воздушный шар расширится до определенного момента времени, а затем снова схлопнется, — сказал Десаи, аспирант-исследователь на кафедре физики и астрономии. — Но самое распространенное убеждение состоит в том, что Вселенная будет продолжать расширяться до тех пор, пока все не окажется настолько далеко друг от друга, что больше не будет наблюдаемого света. В этот момент Вселенную постигнет холодная смерть. Но нам не о чем беспокоиться. Если это случится, то через триллионы лет.»

Но если аналогия с воздушным шаром правильна, то что именно надувает воздушный шар?

«Материя — звезды, планеты, даже мы — это лишь малая часть общего состава Вселенной, — объяснил Аджелло. — Большая часть Вселенной состоит из темной энергии и темной материи. И мы верим, что это темная энергия «надувает воздушный шар». Темная энергия отталкивает вещи друг от друга. Гравитация, которая притягивает объекты друг к другу, является более сильной силой на локальном уровне, поэтому некоторые галактики продолжают сталкиваться. Но на космических расстояниях темная энергия является доминирующей силой.»

«Замечательно, что мы используем гамма-лучи для изучения космологии. Наша методика позволяет нам использовать независимую стратегию — новую методологию, независимую от существующих, — чтобы измерить важнейшие свойства Вселенной, — сказал Домингес, который также является научным сотрудником в группе Аджелло. — Наши результаты показывают зрелость, достигнутую в последнее десятилетие относительно области высокоэнергетической астрофизики. Анализ, который мы разработали, открывает путь к более качественным измерениям в будущем с использованием массива телескопов Черенкова, который все еще находится в разработке и будет самым амбициозным массивом наземных высокоэнергетических телескопов когда-либо.»

Многие из этих методов, использованных в настоящей статье, соотносятся с предыдущей работой, проведенной Аджелло и его коллегами. В более раннем проекте, который появился в журнале Science, Аджелло и его команда смогли измерить весь звездный свет, когда-либо испускавшийся в истории Вселенной.

«Нам известно, что фотоны гамма-излучения от внегалактических источников движутся во Вселенной к Земле, где они могут поглощаться при взаимодействии с фотонами звездного света», — сказал Аджелло. — Скорость взаимодействия зависит от длины их путешествия во Вселенной. И длина, которую они проходят, зависит от расширения. Если расширение невелико, они перемещаются на небольшое расстояние. Если расширение велико, они перемещаются на очень большое расстояние. Таким образом, величина поглощения, которую мы измеряли, очень сильно зависела от величины постоянной Хаббла. Что мы сделали, так это изменили ее и использовали, чтобы ограничить скорость расширения Вселенной.»

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!

Средняя зарплата в IT

113 000 ₽/мес.
Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 10 037 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
Реклама
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее

Комментарии 44

    0
    Объясните нубу, как измеряют расстояние до разных космических объектов? Ведь единственная информация, которая приходит до фото-матрицы телескопа и могущая это объяснить, это красное/доплеровское смещение у атомов, излучивших фотон. То есть «старение» света уже применить нельзя, тогда как?
      +1
      Гуглите «метод стандартных свечей».
        0
        Открыл Шкала расстояний в астрономии, читаю: «Многие астрономические объекты, используемые для построения шкалы расстояний, принадлежат к тому или иному классу с известной светимостью. Такие объекты называют стандартными свечами. Измерив их видимую яркость и зная светимость, можно посчитать расстояние до них, основываясь на законе обратных квадратов.»
        Вопрос — откуда появляется «известная светимость»?
          +3
          Это похоже на взрывы одинаковых термоядерных бомб — известен процесс (термоядерный взрыв), известен состав бомбы (водород + гелий), известна масса (равна пределу Чандрасекара).
            0
            Интересно, спасибо! Осталось понять каким образом связывают «калибровочные» сверхновые звёзды типа ia с остальными астрономическими объектами…
              +2
              С помощью цефеид, это особый класс переменных звезд, их период и светимость связаны друг с другом. Померив период, узнаем светимость, зная светимость узнаем расстояние.

              Порекомендую смотреть и читать Астрономическая Картинка Дня. 10 лет чтения APOD и большая часть научпопа про астрофизику «я это читал уже».
                0
                10 лет это много…
                То есть выстраиваем все цефеиды в линию по их периодам, и по разнице светимостей определяем насколько они далеки от нас (относительно друг друга). Супер! Вот если бы еще кто-нибудь объяснил, как Харлоу Шепли «нашёл статистическим путём нуль-пункт этой зависимости и с её помощью оценил расстояния до ближайших шаровых скоплений».
            +3

            Не, из википедии вы ничего не поймете.
            Вот хороший обзор.
            А вот еще подробнее, но там терминология сложнее.
            А здесь мой любимый текст про сверхновые — его непросто дочитать, но он великолепен.

              0
              Спасибо! Там уже названия тем очень говорящие…
          0
          Одним из наиболее точных методов является определение расстояния до цефеиды через ее светимость. У этих звезд есть точная зависимость между периодом и светимостью. Оба этих параметра являются измеримыми, поэтому можно точно вычислить расстояние до нее.
          Однако, к сожалению, нет ни одной цефеиды, расстояние до которой можно вычислить с помощью параллакса (однозначный геометрический метод), поэтому калибровка зависимости период/светимость сопряжена со сложностями.
          Если расстояние до этой зведы определено верно ru.wikipedia.org/wiki/RS_%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%8B, то калибровка на сегодняшний дел довольно точна.
          Конечно, цефеидами нельзя определить расстояние до других галактик, т.к. в них нельзя отличить отдельные звезды, но тут как раз и помогает постоянная хаббла.
            0
            Однако, к сожалению, нет ни одной цефеиды, расстояние до которой можно вычислить с помощью параллакса (однозначный геометрический метод)

            Ну, Gaia меряет параллаксы до долей миллисекунды, так что думаю скоро это перестанет быть проблемой.
              0
              Ну, Gaia меряет параллаксы до долей миллисекунды, так что думаю скоро это перестанет быть проблемой.
              Да, должно хватить… Если взять 0,1 миллисекунду, то ее котангенс примерно равен 2*10^9. Котангенс же орбиты Земли и расстояния до RS Кормы 2*10^8.
              +1
              Полярная звезда — цефеида. И расстояние до нее очень даже определено напрямую.
              И кстати, по поводу цефеид в других галактиках. Хаббл (тот который Эдвин, а не телескоп) определил расстояние до Туманности Андромеды именно по цефеидам.
                0
                Если Полярная звезда — цефеида, то тогда всё ок. Но она вроде очень нестандартная — это как-то влияет на возможность ее использования в качесте точки отсчета?
                0
                Спасибо, за ответ! Так а постоянная Хаббла разве не получается из уже известного расстояния до звезд?
                  0
                  До звёзд — нет. Расширение Вселенной «не работает» для гравитационно связанных систем.
                    +1
                    Точное расстояние известно только для близких звед, но для них эффект расширения вселенной ничтожен. Красное (либо фиолетовое) смещение будет обусловлено собственным движением внутри галактики (по отношению к Солнцу).
                    На самом деле, косвенными методами постоянную Хаббла уже несколько раз вычисляли, но проблема в том, что данные разнятся очень сильно. При этом, две методики могут дать значения, которые не согласуются даже в пределах погрешности.
                  0
                  На основе красного смещения действительно измеряется расстояние до далёких объектов, предварительно откалибровав шкалу по более близким. Само красное смещение измеряется не как изменение цвета объекта в целом (мы обычно не знаем априори, какой истинный цвет), а как смещение спектральных линий известных химических элементов.
                    0
                    А как можно по одному типу данных (смещение спектральных линий) измерять сразу две связанные величины — расстояние и скорость отдаления?
                      0
                      Смотря что вы подразумеваете под скоростью отдаления. Если ту скорость, что связана с расширением Вселенной — то это и есть расстояние до объекта, по сути. Эти две величины однозначно (в рамках конкретной модели) связаны друг с другом.
                        0
                        Для дальних объектов эти параметры взаимосвязаны. Чем больше расстояние — тем больше скорость убегания. Вообще, советую почитать книгу Стивена Хокинга «Краткая история времени» (можно сказать, классика). Там без единой формулы, очень доступно объясняется, как ученые пришли к выводам об устройстве и истории вселенной.
                          0
                          Понял, спасибо!
                      –6
                      Так ведь тёмная энергия же вроде как — всё?
                      www.bbc.com/russian/features-50977275
                      "… недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи[там ссылка на www.aanda.org/articles/aa/abs/2019/11/aa36373-19/aa36373-19.html], сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах".
                        +1
                        «По мнению авторов» и «позволяет предположить» ещё не означает «вроде как — всё».
                          0
                          «Вроде как» — менее уверенное утверждение, чем «по мнению авторов».
                            –3
                            Отнюдь. «Вроде как» — это утверждение со среднеопределённой вероятностью, примерно 50/50, а «по мнению авторов» — мнение малозначимой группы лиц, очевидно не принятое большинством (как минимум на данный момент).
                          +5
                          Не совсем, см дискуссию тут. Эта статья, во-первых, ставит под сомнение только одно из свидетельств темной энергии, остаются еще другие — не менее надежные. Во-вторых, статистическая значимость результата в статье совсем не тянет на открытие пока. Так что рано хоронить темную энергию.
                            0
                            Эта статья, во-первых, ставит под сомнение только одно из свидетельств темной энергии, остаются еще другие — не менее надежные.

                            Статья ставит под сомнения тот факт, что вселенная расширяется с ускорением. Вы говорите о других не менее надёжных свидетельствах тёмной энергии. Что вы имеете в виду?

                              +1
                              Статья ставит под сомнения тот факт, что вселенная расширяется с ускорением.
                              В оригинальной статье речь идет только о возможной связи между светимостью сверхновой и ее возрастом. Сверхновые используются как одно из доказательств расширения с ускорением (ака темной энергии). Если из светимость зависит от возраста, это может влиять на оценки на расширение. Но есть другие доказательства , в особенности реликтовое излучение, которые пока никуда не деваются. Так что даже если (а это большое если) нынешняя работа окажется верной, это не отменит ускоренного расширения (т.е. темной энергии).
                                +1
                                Сверхновые используются как одно из доказательств расширения

                                Насколько я понимаю сверхновые используют как главное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением прямо сейчас и это расширение в общем-то и есть то, что называют тёмной энергией.


                                Но есть другие доказательства, в особенности реликтовое излучение

                                Реликтовое излучение, опять же насколько я понимаю — доказательство того, что этап ускоренного расширения был на раннем этапе существования вселенной. Это не про текущий момент.

                                  +1
                                  Я ниже дал ссылку на хороший разбор, что к чему.
                                  сверхновые используют как главное доказательство

                                  Это было первым доказательством (и за него дали нобелевку), но с тех пор появились другие, и сверхновые уже более не главное доказательство (хотя тоже зависит от того, кого вы спросите).
                                  Реликтовое излучение, опять же насколько я понимаю — доказательство того, что этап ускоренного расширения был на раннем этапе существования вселенной.

                                  Я не специалист, но вроде не совсем так: РИ дает много разных данных. Часть из них говорит о расширении на раннем этапе, а часть — в настоящее время. Мы наблюдаем анизотропию реликтового излучения в настоящий момент, и в зависимости от скорости расширения сейчас эта анизотропия выглядела для нас бы по-разному. Измерения РИ позволяет оценить кривизну Вселенной: она почти точно плоская, а это значит, что вклад от обычной материи, который привел бы к положительной кривизне, должен компенсироваться чем-то, дающим отрицательный вклад. Это что-то назвали темной энергией. А отрицательная кривизна = ускоренное расширение.

                                  Кроме того, РИ дает просто очень точную оценку на темную энергию, но есть и другие независимые способы доказать ее существование (по ссылке выше там есть).
                            0
                            Вот дам ссылку на подробный разбор, почему все это пока — просто хайп медиа, и темную энергию рано закрывать.
                            +1
                            прочитал статьи и комменты — попал в параллельную вселенную, где говорят на непонятном языке и мыслят непонятными категориями, буду над этим работать)
                              –15

                              Там столько всего намешано, всё относительно друг друга, эти цифры зависят от других, а другие от третьих, а эти третьи косвенно грубо высчитаны от первых, в результате этот воздушный шар пока не лопается.


                              На самом деле ничего не расширяется, а это совсем другой процесс.

                                +2
                                В Вашем опусе не хватает лишь одной маленькой детали, имеющей очень значительные последствия для этого самого опуса.
                                –3
                                постоянной Хаббла — единицы измерения, используемой для описания скорости расширения Вселенной.

                                Постоянна Хаббла — не единица измерения, а константа

                                  0

                                  Любая единица измерения — константа. Метр это всегда 100 см, например. Так же можно измерять что-либо в хабблах, или pi. Вопрос только, измеряется ли что-либо в постоянных Хаббла или нет (я не знаю).

                                    +1
                                    Проблема в том, что постоянная Хаббла — не постоянная.
                                    Но её текущее значение можно считать постоянной и использовать её для нормирования других величин. Можно, например, скорость света считать единицей в соответствующей системе мер.
                                    +1
                                    «Нам известно, что фотоны гамма-излучения от внегалактических источников движутся во Вселенной к Земле, где они могут поглощаться при взаимодействии с фотонами звездного света»

                                    Интересно узнать подробнее про это взаимодействие. Что имеется в виду? В классической физике это невозможно. В квантовой взаимодействие фотонов детектилось (через промежуточный процесс с античастицами) только на БАК.
                                      +1
                                      Вообще-то, это возможно даже в «классической» физике — нелинейная оптика.
                                      ru.wikipedia.org/wiki/Генерация_второй_оптической_гармоники
                                        0
                                        В нелинейном процессе нет непосредственного взаимодействия фотонов. Например, вы поглощаете один фотон накачки (например, атомом вещества), и испускаете два фотона. При этом фотон накачки не взаимодейтсвует напрямую с фотоном сигнала. Однако, как Capineiro верно замечает, фотоны могут непосредственно взаимодействовать с фотонами через вирутальные частицы.
                                        +1
                                        Все верно, и именно этот механизм рассеяния фотонов на фотонах и стоит за описанным в статье эффектом. Из абстракта оригинала:
                                        This methodology is based upon the fact that the extragalactic background light supplies opacity for very high energy photons via photon–photon interaction. The amount of γ-ray attenuation along the line of sight depends on the expansion rate and matter content of the universe.

                                        Т.е. высокоэнергетичные фотоны могут рассеиваться на фоновом излучении.
                                        –1
                                        «Но если аналогия с воздушным шаром правильна, то что именно надувает воздушный шар?»

                                        Аналогия не совсем правильна: плотность поверхности шара при его раздувании снижается. А плотность энергии вакуума при расширении его вселенского объёма не снижается. Отсюда понятия космологической постоянной и тёмной энергии.
                                        Чтобы понять, как такое происходит, нужно искать другую аналогию. Есть другая двумерная поверхность, у которой при расширении её плотность остаётся постоянной. Это ковёр растений ряски на поверхности пруда. Он расширяется из-за внедрения в него новых дочерних растений. А те образуются благодаря дополнительному вертикальному измерению — толщи воды и воздуха, откуда они берут молекулы для своего образования и роста.
                                        Тогда и наше пространство можно считать квантованным, а его расширение при постоянной плотности объяснять постоянным и повсеместным поступлением в него его новых квантов из дополнительного измерения.

                                        Если кинуть в ряску камень, то увидим аналогию гравитации: камень выхватывает часть ряски и отправляет её обратно в дополнительное вертикальное измерение, а в сторону возникшей дырки расширяется, снижая свою плотность, окружающая ряска. Она будет сообщать одинаковое ускорение всем другим дырочкам и разрежениям в ней — аналогам тел разной плотности, свободно падающим на массивное тело.
                                          0
                                          Del

                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                          Самое читаемое