Астрономия

Почему мы можем доверять «Хаббловскому времени», если скорость расширения не постоянна?

Почему мы можем доверять «Хаббловскому времени», если скорость расширения не постоянна?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Возраст Вселенной можно оценить, взяв обратное значение постоянной Хаббла: $ t_ text {universe} = 1 / H_0 = d / v. $

Мне кажется, этот метод предполагает, что любая данная галактика удалялась с постоянной видимой скоростью на протяжении всей жизни Вселенной. Однако, включив данные с больших и больших расстояний, можно увидеть, что закон Хаббла не выполняется. Данные свидетельствуют о том, что в прошлом темпы расширения на самом деле были медленнее.

Почему для оценки возраста Вселенной с использованием времени Хаббла целесообразно использовать только близлежащие галактики, когда скорость расширения не постоянна?


$ H_0 ^ {- 1} $ это лишь приблизительная оценка возраста Вселенной, и вы правильно определили причины, по которым нет.

Правильная оценка возраста зависит от знания $ H_0 $ а также плотности материи и темной энергии, чтобы можно было правильно смоделировать прошлую историю расширения Вселенной. Даже это основано на предположении о том, как ведет себя темная энергия.

Более интересный вопрос: почему значение $ H_0 simeq 70 $ км с$^{-1}$/ Mpc дает $ H_ {0} ^ {- 1} $ 14 миллиардов лет, что находится в пределах нескольких процентов от наилучшей текущей оценки возраста Вселенной в 13,8 миллиарда лет. в $ Lambda $Модель космологии CDM, причина этого космического совпадения в том, что вселенское расширение претерпело период децеларатона примерно до 4 миллиардов лет назад, когда оно снова начало ускоряться (красная кривая на графике ниже).

В результате касательная к красной кривой, показывающей размер Вселенной в зависимости от времени, в нынешнюю эпоху почти уходит в $ { rm size} = 0 $ около 14 миллиардов лет назад. Если бы мы вернулись назад или вперед на 5 миллиардов лет, соглашение между $ H_0 ^ {- 1} $ и возраст вселенной был бы не так хорош. В прежние времена $ H_0 ^ {- 1} $ переоценили бы возраст Вселенной, тогда как в более поздние времена $ H_0 ^ {- 1} $ недооценит возраст Вселенной.


Насколько быстро расширяется Вселенная?

Расширение или сжатие Вселенной зависит от ее содержания и прошлой истории. При достаточном количестве вещества расширение замедлится или даже превратится в сокращение. С другой стороны, темная энергия движет Вселенную к увеличению скорости расширения. Текущая скорость расширения обычно выражается как постоянная Хаббла (в единицах километров в секунду на мегапарсек или просто в секунду).

Хаббл обнаружил, что Вселенная не была статичной, а скорее расширялась!


Фактически, это отражение того факта, что скорость расширения долгое время была почти постоянной.

Математически расширение Вселенной описывается масштабным коэффициентом $ a (t) $, который можно интерпретировать как размер Вселенной в момент времени $ t $, но относительно некоторого эталонного размера (обычно выбираемого в качестве текущего размер). Параметр Хаббла определяется как

а время Хаббла является обратной величиной параметра Хаббла,

Теперь предположим, что Вселенная расширялась с постоянной скоростью на протяжении всей своей истории. Это означает, что $ a (t) = ct $. Если вы вычислите время Хаббла в этой модели, вы получите

это означает, что в модели линейного расширения время Хаббла есть не что иное, как текущий возраст Вселенной.

На самом деле, лучшие космологические теории предполагают, что Вселенная не расширялась линейно с самого начала. Таким образом, можно ожидать, что возраст Вселенной не совсем точный. равный до времени Хаббла. Но, надеюсь, имеет смысл, что если какое-либо нелинейное расширение длилось только короткий период, то время Хаббла все равно должно быть равным. Закрыть к эпохе вселенной. Такова ситуация, которую мы наблюдаем сегодня.

Для получения дополнительной информации я предлагаю вам проверить эти дополнительные вопросы


В этом выпуске нашего подкаста доцент кафедры физики Марсель Соарес-Сантос объясняет, почему так сложно вычислить константу и как ее новый подход может, наконец, исправить это.

Ниже приводится стенограмма эпизода.

ЛОУРЕНС ГУДМАН, ВЕДУЩИЙ

Здравствуйте, и добро пожаловать в этот выпуск подкаста Университета Брандейса «Взять: большие идеи, объясненные менее чем за 5 минут», где профессора объясняют основные концепции своих исследований менее чем за пять минут.

Наша сегодняшняя тема: «Судьба Вселенной зависит от постоянной Хаббла, так почему мы не можем определить ее значение?»

Я Лоуренс Гудман из Управления коммуникаций, и мой гость - доцент физики Марсель Соарес-Сантос.

Что такое постоянная Хаббла?

ПОМОЩНИК ПРОФЕССОРА ФИЗИКИ МАРСЕЛЬ СОАРС-САНТОС

Постоянная Хаббла - это мера скорости роста Вселенной.

ХОЗЯИН: В настоящее время существует два способа измерения постоянной.

СОАРЕС-САНТОС: Один из способов - использовать объекты, которые мы называем стандартными свечами. Взрывы сверхновых - это основная стандартная свеча, которую мы используем. Наблюдаемая яркость покажет нам, как далеко находится объект. Мы также наблюдаем за цветом этих предметов. И поскольку свет от объекта путешествует на Землю, пространство-время расширяется, поэтому форма волны фотонов, путешествующих во времени, растягивается. Так объект станет более красным. Эффект красного смещения пропорционален расстоянию. Таким образом, объект, который находится вдвое дальше, будет иметь в два раза больше красного смещения, чем объект, который находится ближе.

Второй метод - взглянуть на Вселенную такой, какой она была на очень-очень ранних стадиях. Сегодня мы измеряем космическое микроволновое фоновое излучение, которое является сигналом, распространяющимся по Вселенной через 300 000 лет после Большого взрыва. Итак, что мы делаем, так это сравниваем форму этого сигнала с тем, что мы ожидаем при определенной скорости расширения. Разные скорости расширения приведут к разной сигнатуре наблюдаемого излучения.

ХОЗЯИН: И все же оба эти метода не совсем верны.

СОАРЕС-САНТОС: Если вы возьмете число постоянной Хаббла, измеренное с помощью сверхновой, и сравните с числом, измеренным с помощью космического микроволнового фона, они значительно разойдутся. Это всего несколько процентов несогласия.

ХОЗЯИН: Будущее Вселенной зависит от значения постоянной Хаббла, верно?

СОАРЕС-САНТОС: Верный. Значение постоянной Хаббла будет определять, какова скорость расширения сегодня, какова судьба Вселенной в будущем. Например, если скорость расширения слишком высока, это будет означать, что наша Вселенная будет продолжать расширяться вечно. Скорость расширения станет настолько большой, что гравитационных сил, удерживающих нашу Солнечную систему вместе, будет недостаточно, чтобы удержать ее вместе, поэтому мы будем улетать в Солнечной системе.

Если это число будет слишком низким, то у нас будет свидетельство будущего, в котором расширение может фактически остановиться и повернуть вспять, так что у нас будет то, что некоторые люди иногда называют Большим сжатием, противоположным Большому взрыву,

ХОЗЯИН: Вы и группа исследователей недавно сообщили о новом способе вычисления постоянной Хаббла с помощью гравитационных волн.

Во-первых, что такое гравитационные волны?

СОАРЕС-САНТОС: Гравитационные волны - это рябь в пространстве, распространяющаяся в пространстве-времени.

ХОЗЯИН: Как теперь можно использовать эти волны, чтобы получить постоянную Хаббла?

СОАРЕС-САНТОС: Возьмем, к примеру, звук грома. В зависимости от того, насколько он громкий, мы получаем представление о том, далеко он был или поблизости. В случае гравитационных волн идея аналогична. Мы улавливаем звук гравитационных волн на Земле. Этот анализ формы волны говорит нам, насколько массивной была система, насколько громким должен быть этот сигнал. Теперь мы можем сравнить нашу оценку того, насколько громким он должен быть, с тем, насколько он на самом деле. Таким образом, мы оцениваем, как далеко находится объект.

ХОЗЯИН: Итак, на данный момент у вас есть значение постоянной Хаббла.

СОАРЕС-САНТОС: Значение, которое мы измеряем с помощью этого метода, на самом деле находится посередине между значением, которое мы получили со сверхновой, и космическим микроволновым фоном.

ХОЗЯИН: Так что предстоит еще много работы.

СОАРЕС-САНТОС: До сих пор мы проводили это измерение, используя только одно событие, и под этим я подразумеваю одно столкновение двух нейтронных звезд, которое генерировало гравитационные волны, и мы здесь зарегистрировали. Теперь мы хотим повторить то же самое со многими, многими другими событиями. И пока мы говорим, детекторы гравитационных волн запущены и работают, и мы надеемся собрать больше этих событий, больше нейтронных звезд в столкновениях, чтобы мы могли сделать более точные измерения и определить, является ли сверхновая звезда или космический микроволновый фон. правильный ответ.

ХОЗЯИН: И вот оно: «Судьба Вселенной зависит от значения постоянной Хаббла, так почему мы не можем это выяснить?» объяснил менее чем за пять минут. Вы можете найти этот подкаст в iTunes, Spotify и SoundCloud, поэтому мы надеемся, что вы подпишетесь и продолжите слушать «Take: Big Ideas Explained In Under 5 Minutes», представленный вам Университетом Брандейса.


Хаббл и парадокс # 8217 & # 8211 & # 8220 Константа в пространстве, а не во времени & # 8221

& # 8220 В то время как Постоянная Хаббла постоянна повсюду в пространстве в данный момент времени, она не постоянна во времени. & # 8221 объясняет Крис Фасснахт, профессор физики Калифорнийского университета в Дэвисе о нынешнем кризисе космологии, или "напряжении", в понимании скорость расширения Вселенной, известная как «постоянная Хаббла», начиная с Большого взрыва, является центральной частью поисков истоков Вселенной.

& # 8220 Итак, когда мы сравниваем Константы Хаббла, полученные с помощью различных методов, мы сравниваем раннюю Вселенную (используя удаленные наблюдения) и более позднюю, более современную часть Вселенной (используя местные, близлежащие наблюдения), & # 8221 он добавил.

Группа астрономов во главе с Калифорнийским университетом Дэвиса получила новые данные, свидетельствующие о том, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось. Это исследование последовало за горячими дебатами о том, насколько быстро вселенная раздувается, измерения до сих пор расходятся.

Раскрытие тайны с помощью адаптивной оптики обсерватории У. М. Кека и # 8217s (AO)

Новое измерение постоянной Хаббла, или скорости расширения Вселенной, команда ученых использовала другой метод. Они использовали космический телескоп Хаббла (HST) НАСА в сочетании с системой адаптивной оптики (AO) обсерватории У. М. Кека для наблюдения за тремя системами с гравитационными линзами. Это первый раз, когда наземная технология АО была использована для получения постоянной Хаббла.

& # 8220 Когда я впервые начал работать над этой проблемой более 20 лет назад, доступное оборудование ограничивало количество полезных данных, которые можно было получить из наблюдений & # 8221, - говорит соавтор исследования Фасснахт. & # 8220 В этом проекте мы впервые используем АО обсерватории Кека для полного анализа. В течение многих лет я чувствовал, что наблюдения AO могут внести большой вклад в эти усилия & # 8221.

Чтобы исключить любую предвзятость, команда провела слепой анализ во время обработки, они скрывали окончательный ответ даже от себя, пока не убедились, что они обратились к как можно большему количеству возможных источников ошибок. Это не позволяло им вносить какие-либо корректировки для получения значения & # 8220correct & # 8221, избегая предвзятости подтверждения.

& # 8220 Когда мы думали, что мы позаботились обо всех возможных проблемах с анализом, мы раскрываем ответ с правилом, согласно которому мы должны публиковать любое значение, которое найдем, даже если оно безумно. «Это всегда напряженный и волнующий момент», - говорит ведущий автор Джефф Чен, аспирант физического факультета Калифорнийского университета в Дэвисе.

Раскрытие показало значение, которое согласуется с измерениями постоянной Хаббла, взятыми из наблюдений за «локальными» объектами, близкими к Земле, такими как близлежащие сверхновые звезды типа Ia или системы с гравитационными линзами. Команда Чена использовала последние объекты в своем слепом анализе.

Результаты команды добавляют к растущим свидетельствам того, что существует проблема со стандартной моделью космологии, которая показывает, что Вселенная расширялась очень быстро в начале своей истории, затем расширение замедлилось из-за гравитационного притяжения темной материи, а теперь расширение снова ускоряется из-за темной энергии, таинственной силы.

Эта модель истории расширения Вселенной собрана с использованием традиционных измерений постоянной Хаббла, которые взяты из наблюдений космического микроволнового фона (CMB) - оставшегося излучения от Большого взрыва, когда Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад. .

В последнее время многие группы начали использовать различные методы и изучать различные части Вселенной, чтобы получить постоянную Хаббла, и обнаружили, что значение, полученное в результате наблюдений «локальные» и «удаленные», не совпадают.

Это говорит о том, что либо существует проблема с измерениями реликтового излучения, что, по мнению группы, маловероятно, либо стандартную модель космологии необходимо каким-то образом изменить с использованием новой физики, чтобы исправить расхождение.

Методология визуализации

Изображение в верхней части страницы было создано с использованием системы АО обсерватории Кека с прибором ближнего инфракрасного диапазона второго поколения (NIRC2) на телескопе Keck II, Чен и его команда получили локальные измерения трех хорошо известных линзированных квазаров. системы: PG1115 + 080, HE0435-1223 и RXJ1131-1231.

Квазары - чрезвычайно яркие, активные галактики, часто с массивными джетами, питаемыми сверхмассивной черной дырой, жадно пожирающей окружающий ее материал.

Хотя квазары часто находятся очень далеко, астрономы могут обнаружить их с помощью гравитационного линзирования, явления, которое действует как увеличительное стекло природы. Когда достаточно массивная галактика, расположенная ближе к Земле, оказывается на пути света от очень далекого квазара, галактика может действовать как линза, ее гравитационное поле искривляет само пространство, искажая фоновый свет квазара на множестве изображений и делая его очень ярким. .

Время от времени яркость квазара мерцает, и поскольку каждое изображение соответствует немного разной длине пути от квазара до телескопа, мерцания появляются в несколько разное время для каждого изображения - они не все прибывают на Землю одновременно.

С помощью HE0435-1223, PG1115 + 080 и RXJ1131-1231 команда тщательно измерила эти временные задержки, которые обратно пропорциональны значению постоянной Хаббла. Это позволяет астрономам декодировать свет от этих далеких квазаров и собирать информацию о том, насколько Вселенная расширилась за время, пока свет шел к Земле.

«Один из наиболее важных ингредиентов в использовании гравитационного линзирования для измерения постоянной Хаббла - это чувствительное изображение с высоким разрешением», - сказал Чен. & # 8220 До сих пор все лучшие измерения постоянной Хаббла на основе линз проводились с использованием данных HST. Когда мы сняли слепоту, мы обнаружили две вещи. Во-первых, у нас были согласованные значения с предыдущими измерениями, основанными на данных HST, что доказывает, что данные AO могут стать мощной альтернативой данным HST в будущем. Во-вторых, мы обнаружили, что объединение данных AO и HST дало более точный результат & # 8221.

Чен и его команда, а также многие другие группы по всей планете проводят больше исследований и наблюдений для дальнейшего изучения. Теперь, когда команда Чена доказала, что система АО обсерватории Кека столь же мощна, как и HST, астрономы могут добавить эту методологию к своим методам измерения постоянной Хаббла.

& # 8220 Теперь мы можем попробовать этот метод с большим количеством линзированных систем квазаров, чтобы повысить точность наших измерений постоянной Хаббла. Возможно, это приведет нас к более полной космологической модели Вселенной, - говорит Фасснахт.

Результаты команды опубликованы в последнем онлайн-выпуске Ежемесячных уведомлений Королевского астрономического общества.


Ответы и ответы

Константа Хаббла обычно не является постоянной, ее действительно следует называть параметром Хаббла.

Указанные 73 км / сек / Mpsc - это [itex] H_0 [/ itex], то есть значение H в настоящую эпоху.

В одной модели, старой теории устойчивого состояния Хойла / Голда / Бонди, H будет постоянным во все времена, что является примером дискредитированного ныне Совершенного космологического принципа.

Мне было интересно, почему разные источники, кажется, дают разные значения параметра Хаббла, варьирующиеся от середины шестидесятых до середины семидесятых.

Позвольте мне немного рассказать о том, что сказал Гарт.

Постоянная Хаббла постоянна в пространстве, а не во времени. В любой момент времени пусть L будет правильным расстоянием от нас до любой галактики. Тогда в любой момент космологического времени t, v / L постоянна для * всех * галактик, независимо от их надлежащего расстояния от нас. В какой-то другой момент времени t 'v / L все еще остается постоянным, но, как правило, не равно константе в момент времени t, то есть значение этой (пространственной) постоянной изменяется со временем. Эта постоянная - постоянная Хаббла.

Кроме того, ускорение Вселенной и скорость изменения постоянной Хаббла в некоторой степени независимы. Например, в настоящее время значение постоянной Хаббла уменьшается во времени, даже несмотря на то, что расширение Вселенной ускоряется во времени.

Обычно космологическим калькуляторам требуется H_0, постоянная Хаббла при t = now.

Теперь вы снова запутали меня, когда я думал, что туман рассеялся

Не могли бы вы подробнее рассказать о последнем заявлении? Каким образом текущий параметр Хаббла становится ниже, несмотря на ускоряющуюся скорость расширения в настоящее время? Я уверен, что вы понимаете, о чем говорите, но сейчас я не могу это представить

в стандартной космологии LambdaCDM, которую реализуют и основаны все онлайн-калькуляторы (AFAIK), существует только одно значение параметра Хаббла для всей вселенной в настоящий момент

есть неуверенность в правильности использования значения, может быть, 71 или, может быть, как говорит Гарт, 73, есть некоторые плюсы-минусы.

в модели параметр Хаббла изменяется, но очень медленно в это время, он постепенно снижается примерно до 55 или 60, теоретически до некоторого асимптотического значения. но это изменение происходит слишком медленно, чтобы наблюдать!

параметр Хаббла определяется в терминах ДВИЖЕНИЯ расстояния, то есть фактического реального расстояния на сегодняшний день, если бы вы могли измерить его с заранее подготовленной цепочкой помощников, каждый из которых находится в состоянии покоя относительно реликтового излучения (микроволнового фона), что означает, что они НЕ находятся на отдых относительно земли или целевого объекта.

параметр Хаббла - это отношение СЕГОДНЯ скорости спада в этот момент, деленное на фактическое (сопутствующее) расстояние в этот момент.
поэтому единицами измерения параметра являются скорость (км / с), деленная на расстояние (мегапарсек)
или любой другой выбор единиц измерения скорости на расстоянии. Это сводится к обратному времени, но обычно говорят, что км / с на Мпк.

Раньше H было намного больше, например, 1000 или 10000 в первые дни, и вы действительно можете ВИДЕТЬ это, если воспользуетесь калькулятором Моргана, потому что этот калькулятор, среди прочего, сообщает вам, какой H была в тот момент, когда свет, который мы сейчас получаем, был испущен объектом и начал свой путь к нам.

Чтобы калькулятор Моргана заработал, вы должны ввести текущее значение H (например, 71) и красное смещение объекта, который вы наблюдаете, а затем он сообщит вам такие вещи, как расстояние, когда был испущен свет, и расстояние теперь, когда получен свет, и скорость спада тогда, и скорость спада сейчас, и параметр Хаббла тогда.

Это помогает понять, как меняются эти количества.

Возможно, вы уже пользовались калькулятором (или калькулятором Неда Райта) и уже все это открыли. Но дам ссылку, если кто-то еще захочет.


Непостоянная постоянная Хаббла? UM Research предлагает исправить космологический краеугольный камень (астрономия)

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 в этом числе между наблюдениями ранней Вселенной и наблюдениями поздней Вселенной.

В начале существования Вселенной свет перемещался через плазму - звезд еще не было - и из колебаний, подобных звуковым волнам, создаваемым этим, ученые пришли к выводу, что постоянная Хаббла была около 67. Это означает, что Вселенная расширяется примерно на 67 километров в секунду. быстрее каждые 3,26 миллиона световых лет.

Но это наблюдение отличается, когда ученые смотрят на более позднюю жизнь Вселенной, после рождения звезд и образования галактик. Гравитация этих объектов вызывает то, что называется гравитационным линзированием, которое искажает свет между удаленным источником и его наблюдателем.

Другие явления в этой поздней вселенной включают экстремальные взрывы и события, связанные с концом 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 вспышках сверхновых, поддерживая идею о том, что постоянная Хаббла на самом деле может не быть постоянной.

Вместо этого он 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 команды опубликованы в Астрофизический журнал.

«Дело в том, что, похоже, существует противоречие между более высокими значениями для наблюдений поздней вселенной и более низкими значениями для наблюдений ранней вселенной», - сказал Энрико Ринальди, научный сотрудник отдела физики Университета штата Вашингтон. & # 8220В этой статье мы задали следующий вопрос: что, если постоянная Хаббла непостоянна? Что, если оно действительно изменится? & # 8221

Исследователи использовали набор данных о сверхновых и захватывающих взрывах, которые знаменуют заключительный этап жизни звезды. Когда они светят, они излучают определенный тип света. В частности, исследователи изучали сверхновые типа Ia.

Эти типы сверхновых звезд были использованы, чтобы обнаружить, что Вселенная расширяется и ускоряется, сказал Ринальди, и они известны как «стандартные свечи», похожие на серию маяков с одной и той же лампочкой. Если ученые знают их яркость, они могут рассчитать расстояние до них, наблюдая за их интенсивностью в небе.

Затем астрономы используют то, что называется «красным смещением», 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 оригинального наблюдения Хаббла заключается в том, что чем дальше от наблюдателя, тем больше увеличивается длина волны - как если бы вы прицепили Слинки к стене и отошли от нее, держа один конец в руках. Красное смещение и расстояние связаны.

В исследовании группы Rinaldi & # 8217s & # 8217s 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 один интервал & # 8220bin, затем равное количество звезд на следующем интервале расстояний в другом интервале и так далее. Чем ближе мусорное ведро к Земле, тем моложе звезды.

& # 8220Если это константа, то она не должна отличаться, когда мы извлекаем ее из бинов с разным расстоянием. Но наш главный результат состоит в том, что оно фактически меняется с расстоянием, - сказал Ринальди. & # 8220 Напряжение постоянной Хаббла можно объяснить некоторой внутренней зависимостью этой постоянной от расстояния до объектов, которые вы используете. & # 8221

Кроме того, исследователи обнаружили, что их анализ изменения постоянной Хаббла с красным смещением позволяет им плавно & # 8220 связать & # 8221 значение константы от зондов ранней вселенной и значение из зондов поздней вселенной, сказал Ринальди.

«Извлеченные параметры все еще совместимы со стандартным космологическим представлением, которое у нас есть», - сказал он. & # 8220 Но на этот раз они просто немного сдвигаются, когда мы меняем расстояние, и этого небольшого сдвига достаточно, чтобы объяснить, почему у нас такое напряжение. & # 8221

Исследователи говорят, что есть несколько возможных объяснений этого очевидного изменения постоянной Хаббла, одно из которых - возможность 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.

Группу возглавляла Мария Дайнотти, доцент Национальной астрономической обсерватории Японии и Высшего университета перспективных исследований SOKENDAI в Японии, а также научный сотрудник Института космических наук США. Ринальди также является исследователем в Лаборатории теоретической квантовой физики и в программе междисциплинарных теоретических и математических наук исследовательского института RIKEN в Японии.

Среди соавторов-исследователей - Бьяджо де Симоне, бывший магистрант Салерно, Тициано Скьявоне, аспирант Пизанского университета, Джованни Монтани, адъюнкт-профессор Римского университета, Ла Сапиенца, 8221 и исследователь ENEA Гаэтано. Ламбиасе, профессор Салерно.

Аннотация исследования: О постоянном напряжении телескопа Хаббла в выборке See Ia Pantheon (полный текст)

Популярное изображение: На снимке изображена сверхновая звезды типа 1a 1994D в галактике NGC 4526. Сверхновая - яркое пятно в нижнем левом углу изображения © ESA / Hubble


Новая мера постоянной Хаббла добавляет тайны скорости расширения Вселенной

Ученые Чикагского университета провели новое измерение скорости расширения Вселенной, используя звезды совершенно другого типа, нежели предыдущие попытки. Это значение находится в центре горячо обсуждаемого вопроса астрофизики, который может потребовать совершенно новой модели Вселенной.

Ученые уже почти столетие знают, что Вселенная расширяется, но точные цифры того, насколько быстро она движется, так и остались неуловимыми. В 2001 году профессор Венди Фридман возглавила команду, которая использовала далекие звезды, чтобы сделать знаковое измерение этого числа, называемого постоянной Хаббла, но оно не согласуется с другим важным измерением, и противоречие между двумя числами сохраняется, даже когда каждая сторона делает все более точные показания.

В новой статье, которая вскоре будет опубликована в Астрофизический журнал, Фридман и ее команда объявили о новом измерении постоянной Хаббла, используя звезду, известную как красный гигант. Их наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Хаббла НАСА, показывают, что скорость расширения нашего уголка Вселенной составляет чуть менее 70 километров в секунду на мегапарсек - немного меньше, чем их предыдущие измерения, но это не снижает напряжения.

«Постоянная Хаббла - это космологический параметр, который устанавливает абсолютный масштаб, размер и возраст Вселенной. Это один из наиболее прямых способов количественной оценки эволюции Вселенной», - сказал Фридман, профессор астрономии Университета Джона и Мэрион Салливан. астрофизик и всемирно известный астроном. «Несоответствие, которое мы видели раньше, никуда не делось, но это новое свидетельство говорит о том, что все еще не решено, есть ли непосредственная и убедительная причина полагать, что в нашей нынешней модели Вселенной есть что-то фундаментально ошибочное».

Число, стоящее за теорией Вселенной

Постоянная Хаббла, названная в честь первого астронома и выпускника Университета Чикаго Эдвина Хаббла, лежит в основе всего во Вселенной - от нашей оценки того, когда произошел Большой взрыв, до того, сколько существует темной материи. Это помогает ученым набросать теорию истории и структуры Вселенной и, наоборот, если в этой теории есть линии разлома, точное измерение постоянной Хаббла может привести их к этому.

Двадцать лет назад команда ключевого проекта космического телескопа Хаббла, возглавляемая Фридманом, объявила, что измерила это значение с помощью далеких звезд, называемых цефеидами, которые пульсируют с регулярными интервалами. Их программа пришла к выводу, что значение постоянной Хаббла для нашей Вселенной составляет 72. По мере того, как астрономы уточняли свой анализ и собирали новые данные, это число осталось довольно стабильным, около 73.

Но совсем недавно ученые использовали совершенно другой подход: построили модель, основанную на волновой структуре света, оставшейся с самых ранних моментов Большого взрыва, которая называется космическим микроволновым фоном. Если они прогнали модель вперед во времени, экстраполируя ее с первых нескольких моментов вселенной, они достигли значения 67. Это несогласие является значительным - почти 10 процентов - и оно продолжало укрепляться с течением времени.

Оба лагеря искали все, что могло вызвать несоответствие. «Естественно, возникают вопросы, связано ли это несоответствие с каким-то аспектом, который астрономы еще не понимают в отношении звезд, которые мы измеряем, или же наша космологическая модель Вселенной все еще является неполной», - сказал Фридман. «Или, может быть, оба нуждаются в улучшении».

Картирование звезд

Центральная часть проблемы измерения Вселенной заключается в том, что очень сложно точно рассчитать расстояния до далеких объектов. Первоначально команда Фридмана изучила два типа звезд с надежными характеристиками, которые позволяют астрономам использовать их в комбинации в качестве космологических измерительных стержней: сверхновые типа Ia, которые взрываются с одинаковой яркостью, и переменные цефеиды, звезды, пульсирующие с регулярными интервалами, которые можно сопоставить до их максимальной яркости. Но все же возможно, что в цефеидах есть что-то, чего ученые еще не до конца понимают, что может приводить к ошибкам.

Команда Фридмана стремилась проверить свои результаты, установив новый и полностью независимый путь к постоянной Хаббла с использованием звезды совершенно другого типа.

Некоторые звезды заканчивают свою жизнь очень яркими звездами, называемыми красным гигантом. В определенный момент звезда переживает катастрофическое событие, называемое гелиевой вспышкой, при котором температура повышается примерно до 100 миллионов градусов и структура звезды перестраивается, что в конечном итоге резко снижает ее светимость. (Это однажды случится с нашим солнцем, которое также станет красным гигантом). Астрономы могут видеть точку, в которой падает вся яркость звезд, и могут использовать это как способ определения расстояния.

«Принцип прост, - сказал Фридман. «Представьте, что вы стоите возле уличного фонаря, который, как вы знаете, находится на расстоянии 10 футов. Через равные промежутки времени по улице вы можете видеть больше уличных фонарей, которые постепенно тускнеют по мере удаления от них. Knowing how far away and how bright the lamp is beside you, and then measuring how much fainter the more distant lamps appear to be, allows you to estimate the distances to each of the other lamps all down the road.”

Freedman’s team put this into action using sensitive cameras on the Hubble Space Telescope, searching for their new cosmic lampposts. By comparing the apparent luminosities of the distant red giants with nearby ones that we’ve measured with other methods, and pairing these readings with those from Type Ia supernovae, Freedman and her team were able to determine how far away each of the host galaxies were.

The next step is straightforward: How fast that galaxy is moving away from us is the product of its distance times the Hubble constant. Luckily, a galaxy’s velocity is simple to measure—the light coming from galaxies shifts depending on how fast the galaxy is moving away from us.

Their calculations gave a Hubble constant of 69.8 —straddling the two previously determined numbers.

“Our initial thought was that if there’s a problem to be resolved between the Cepheids and the Cosmic Microwave Background, then the red giant method can be the tie-breaker,” said Freedman.

“The red giant method is independent of the Cepheids and is incredibly precise. The stars used are of lower mass, have different evolutionary histories and are located in different regions of distant galaxies,” said Taylor Hoyt, a University of Chicago graduate student and co-author on the paper.

But the results do not appear to strongly favor one answer over the other.

“We are working at the frontier of what is currently known about cosmology,” Freedman concluded. “These results suggest that we do not have the final answer yet. The burden of proof is high when claims of new physics hang in the balance, but that’s what makes it exciting,” she said. “Either way the conflict resolves, it is important. We either confirm our standard model of cosmology, or we learn something new about the universe.”

The other University of Chicago co-author was Dylan Hatt, PhD’18. Carnegie scientist Barry Madore also has a visiting appointment at UChicago. Other co-authors included scientists with the Observatories of the Carnegie Institution for Science, Princeton University, Seoul National University, Penn State, Florida Atlantic University and the Leibniz Institute for Astrophysics-Potsdam.

Funding: NASA, National Science Foundation, National Research Foundation of Korea, Ahmanson Foundation.


Beyond the Standard Model

This is not the first time the universe&rsquos expansion has flummoxed scientists. In the 1920s the expansion itself came as a shock to most researchers, especially Albert Einstein. Contrary to his preference for a static cosmos, Einstein&rsquos theory of general relativity predicted a universe that would inevitably expand or collapse. To &ldquofix&rdquo this he added a new term to his calculations: a sort of antigravity suffusing all of space that could act to preserve universal equilibrium. Einstein first dubbed it &ldquothe cosmological constant&rdquo&mdashbut later allegedly called it his &ldquobiggest blunder,&rdquo following Hubble&rsquos discovery. Einstein&rsquos initial intuition was apparently vindicated beginning in the 1990s, when Riess and other astronomers found distant type Ia supernovae were dimmer (and thus farther away) than expected. A mysterious &ldquodark energy&rdquo seemed to be causing the universe&rsquos expansion to accelerate perhaps, many physicists speculated, the dark energy and the cosmological constant were one and the same. Measurements from the CMB and other sources rapidly confirmed dark energy&rsquos existence if not its exact nature, resulting in Riess and two others receiving the 2011 Nobel Prize in Physics.

Because its effects would be evenly distributed throughout all of space, as space itself expands the cosmological constant would become more powerful, ramping up the rate of acceleration to produce either a big chill or a big rip as the universe&rsquos ultimate fate. But that boost, it seems, would still fall short of the Hubble constant the SH0ES team and other groups observe in the universe today. So the current tension, Riess speculates, could be due to dark energy not being Einstein&rsquos cosmological constant at all (although he hastens to add such scenarios are not strongly supported by observations of galaxies midway between the CMB and the present). If dark energy is not Einstein&rsquos cosmological constant, it could potentially fuel an even speedier acceleration, easing the tension. In theory, such a nonstandard form of dark energy could also profoundly diminish or even reverse its effects in the future, leaving open the possibility that the universe could still experience a big crunch.

Other speculative explanations exist for the tension, each one another path researchers must follow through the maze of possibilities deciding the ultimate fate of the cosmos. They include as-yet-undiscovered varieties of fast-moving subatomic particles, the influence of hidden &ldquoextra&rdquo dimensions, or various interactions with dark matter&mdashto name just a few. It could be that more than one type of physics beyond the standard model is at play in the apparent tension between Hubble constant estimates from opposite ends of the universe.


Fast radio bursts could help solve the mystery of the universe’s expansion

Short-lived bursts of radio waves from deep space, possibly from eruptions on magnetic stars (one illustrated), are now being used to measure the expansion of the universe.

Share this:

Astronomers have been arguing about the rate of the universe’s expansion for nearly a century. A new independent method to measure that rate could help cast the deciding vote.

For the first time, astronomers calculated the Hubble constant — the rate at which the universe is expanding — from observations of cosmic flashes called fast radio bursts, or FRBs. While the results are preliminary and the uncertainties are large, the technique could mature into a powerful tool for nailing down the elusive Hubble constant, researchers report April 12 at arXiv.org.

Ultimately, if the uncertainties in the new method can be reduced, it could help settle the long-standing debate that holds our understanding of the universe’s physics in the balance (SN: 7/30/19).

“I see great promises in this measurement in the future, especially with the growing number of detected repeated FRBs,” says Stanford University astronomer Simon Birrer, who was not involved with the new work.

Astronomers typically measure the Hubble constant in two ways. One uses the cosmic microwave background, the light released shortly after the Big Bang, in the distant universe. The other uses supernovas and other stars in the nearby universe. These approaches currently disagree by a few percent. The new value from FRBs comes in at an expansion rate of about 62.3 kilometers per second for every megaparsec (about 3.3 million light-years). While lower than the other methods, it’s tentatively closer to the value from the cosmic microwave background, or CMB.

“Our data agrees a little bit more with the CMB side of things compared to the supernova side, but the error bar is really big, so you can’t really say anything,” says Steffen Hagstotz, an astronomer at Stockholm University. Nonetheless, he says, “I think fast radio bursts have the potential to be as accurate as the other methods.”

Sign Up For the Latest from Science News

Headlines and summaries of the latest Science News articles, delivered to your inbox

No one knows exactly what causes FRBs, though eruptions from highly magnetic neutron stars are one possible explanation (SN: 6/4/20). During the few milliseconds when FRBs blast out radio waves, their extreme brightness makes them visible across large cosmic distances, giving astronomers a way to probe the space between galaxies (SN: 5/27/20).

As an FRB signal travels through the dust and gas separating galaxies, it becomes scattered in a predictable way that causes some frequencies to arrive slightly later than others. The farther away the FRB, the more dispersed the signal. Using measurements of this dispersion, Hagstotz and colleagues estimated the distances to nine FRBs. Comparing those distances to the speeds at which the FRBs’ host galaxies are receding from Earth, the team calculated the Hubble constant.

The largest error in the new method comes from not knowing precisely how the FRB signal disperses as it exits its home galaxy before entering intergalactic space, where the gas and dust content is better understood. With a few hundred FRBs, the team estimates that it could reduce the uncertainties and match the accuracy of other methods such as supernovas.

“It’s a first measurement, so not too surprising that the current results are not as constraining as other more matured probes,” says Birrer.

New FRB data might be coming soon. Many new radio observatories are coming online and larger surveys, such as ones proposed for the Square Kilometre Array, could discover tens to thousands of FRBs every night. Hagstotz expects there will sufficient FRBs with distance estimates in the next year or two to accurately determine the Hubble constant. Such FRB data could also help astronomers understand what’s causing the bright outbursts.

“I am very excited about the new possibilities that we will have soon,” Hagstotz says. “It’s really just beginning.”

Questions or comments on this article? E-mail us at [email protected]

Editor's Note:

This story was updated on April 22, 2021, to clarify how the researchers calculated the Hubble constant. They compared FRB signal dispersions to the speeds at which the host galaxies move away from Earth.

Citations

S. Hagstotz, R. Reischke and R. Lilow. A new measurement of the Hubble constant using fast radio bursts. arXiv:2104.04538. Posted online April 12, 2021.


Смотреть видео: Essential Scale-Out Computing by James Cuff (November 2022).