Наступит ли разрядка хаббловской напряженности?

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №1(345), 21 декабря 2021 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Скорость расширения Вселенной выражается постоянной Хаббла со странной, исторически сложившейся размерностью; ее наиболее точное современное значение: H₀ = 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк. Километры с мегапарсеками можно сократить — получим величину 1/(14,4 млрд. лет); в знаменателе оказывается величина, близкая к возрасту Вселенной. Эта величина выведена из данных по реликтовому излучению, полученных космическими микроволновыми телескопами WMAP и «Планк», к которым добавлены данные наземных микроволновых телескопов и оптических цифровых обзоров неба. Это «железобетонные», хорошо согласующиеся друг с другом данные, а численный результат базируется на стандартной модели Вселенной под названием ΛCDM (Λ отражает роль темной энергии, CDM — холодная темная материя).

Несколько лет назад группа Адама Рисса совершенно другим методом получила заметно большее значение постоянной Хаббла — около 73 км/с/Мпк. Адам Рисс — человек очень известный и заслуженный, он один из трех лауреатов Нобелевской премии 2011 года за открытие ускоренного расширения Вселенной (темной энергии). Это был тот же метод, который привел Рисса и Перлмуттера к «нобелевскому» открытию: наблюдение «стандартных» сверхновых типа Ia. Только что опубликован препринт [1] с новым результатом группы Рисса: 73,04 ± 1,04 км/с/Мпк. При этом отклонение от результатов команды «Планка» достигло сакральной значимости 5σ — это значение используется в физике высоких энергий как порог признания результата.

Существует расхожее мнение: результаты «Планка» опираются в основном на данные по ранней Вселенной (реликтовое излучение), а результаты команды Рисса — на наблюдения в современной Вселенной. Это создает дополнительную интригу: может быть, верны оба результата, зато неполны наши представления о Вселенной? Действительно, появилось много работ именно в этом ключе: как подправить Стандартную модель, чтобы оба результата с ней согласовывались. Это в принципе возможно, если привлечь новую физику. Более экзотический вариант — подправить уравнение состояния темной энергии. Более рутинный, но всё равно подразумевающий новую физику — допустить распад части темной материи в легкие частицы.

И все-таки самой правдоподобной остается «нулевая гипотеза»: одна или обе оценки ошибочны, никакого противоречия на самом деле нет. Эту проблему на страницах ТрВ-Наука рассматривал Олег Верходанов [2]. Он отмечает, что данные, использованные командой «Планка», исходят не только из ранней Вселенной: там используются так называемые барионные акустические осцилляции — пространственные корреляции между галактиками. Эти корреляции не что иное, как следы анизотропии реликтового излучения в современной Вселенной. Кроме того, среди использованных данных также база данных по сверхновым, только в другой калибровке. Козырь команды Рисса в том, что они калибровали «лестницу расстояний» по более свежим прецизионным данным космического телескопа Gaia. Это метод калибровки, где в качестве промежуточной стандартной свечи используются цефеиды — звезды, периодически меняющие блеск, так что светимость звезды однозначно связана с периодом. Цефеиды есть в нашей Галактике, расстояния до них можно измерить методом параллакса. Цефеиды видны и в других не слишком далеких галактиках, где вспыхивают сверхновые Ia, по ним и калибруются сверхновые. Однако и здесь возможны свои систематические ошибки.

Недавно (в сентябре) вышла еще одна важная статья Венди Фридман [3], где она калибрует сверхновые совершенно другим способом. Она использовала красные гиганты — последнюю стадию эволюции звезд типа Солнца. У красных гигантов есть предельная яркость (вершина ветви красных гигантов), она определяется физикой горения звезд и прекрасно видна на диаграмме Герцшпрунга — Рассела (рис. 1).

Рис. 1. Панель 1а — диаграмма Герцшпрунга — Рассела для шаровых скоплений, входящих в состав нашей Галактики. Метка TRGB (Tip of the Red Giant Branch) обозначает вершину ветви красных гигантов, использованную для калибровки. Панель 1б — красный квадрат с панели 1а в увеличенном виде с линиями, показывающими величину Н₀ при данном уровне калибровки. Цветовая шкала показывает плотность числа звезд на диаграмме

Фридман использовала калибровку ветви красных гигантов Большого Магелланова Облака и применила ее аналогично цефеидам к определению светимости сверхновых. Ее результат ниже, чем у группы Рисса: 69,8 ± 1,9 км/с/Мпк — это больше, чем значение команды «Планка», но не противоречит ему. Она высказывает то же мнение, что и Олег Верходанов: однозначно говорить о необходимости ревизии модели ΛCDM нельзя, так как, возможно, существует еще не понятая систематика в калибровке цефеид. Эволюция результатов измерения постоянной Хаббла представлена на рис. 2.

Рис. 2. Результаты измерения Н₀ разными методами в динамике (из статьи [3])

Есть еще одна работа, которую упоминает Верходанов и не упоминает Фридман. Это статья группы из Даремского университета (Том Шэнкс, Люси Хогарт, Найджел Меткалф) [4]. Они также использовали цефеиды и их калибровку по данным Gaia, но по-другому смоделировали систематические ошибки данных и учли «локальную дыру» в распределении галактик (мы живем в области, где галактик меньше, чем в среднем по Вселенной), которая сдвигает измеренную величину Н₀ на 1,8%. Их результат: 68,9 ± 1,9 км/с/Мпк, что согласуется с результатами команды «Планка».

Подводя итог: противоречие измерений постоянной Хаббла разными методами статистически значимо, что, конечно, не исключает методических источников расхождений. Калибровка сверхновых — довольно сложная «кухня», которая интересна сама по себе. Анализ методики выходит за рамки данной заметки, но, поскольку сам по себе вопрос очень важен, мы к нему вернемся в виде интервью со специалистами, которое будет выложено на YouTube-канале ТрВ-Наука [5] в конце декабря.

1. A Comprehensive Measurement of the Local Value of the Hubble Constant with 1 km s⁻¹ Mpc⁻¹ Uncertainty from the Hubble Space Telescope and the SH0ES Team. arxiv.org/pdf/2112.04510.pdf.
2. Олег Верходанов. Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной? «ТрВ» №(280) за 04.06.2019.
3. Wendy L. Freedman. Measurements of the Hubble Constant: Tensions in Perspective. The Astrophysical Journal, Volume 919, Number 1.
4. Tom Shanks, Lucy Hogarth, Nigel Metcalfe. GAIA Cepheid parallaxes and «Local Hole». arXiv:1810.02595v2.
5. Официальный видеоканал газеты «Троицкий вариант».