Постоянная Хаббла определяет скорость расширения современной Вселенной и потому представляет огромный интерес для астрофизики и космологии. Ее численные значения многократно оценивались разными способами без малого сто лет и в начале нашего века считались установленными достаточно надежно и в довольно узком интервале.
Однако в прошлом десятилетии стали публиковаться другие значения постоянной Хаббла, которые оказались приблизительно на 10% меньше предшествующих. Это расхождение, получившее название Hubble tension («хаббловское напряжение»), до сих пор так и не удалось устранить. Для его объяснения выдвинуто великое множество гипотез, однако к решению проблемы они не привели. Недавно был опубликован ряд статей на эту тему, основанных на последних данных, полученных, в том числе, и на космическом телескопе имени Джеймса Уэбба. Описанные результаты, из-за того, что они более точные, даже усугубляют проблему.
Начпомним, в конце 1920-х годов американский астроном Эдвин Хаббл и его ассистент Милтон Хьюмасон занялись уточнением расстояний до десятков космических туманностей за пределами Млечного Пути, которые лишь несколькими годами ранее стали считать самостоятельными галактиками. Эти звездные скопления двигались прочь от Солнца с радиальными скоростями, которые были измерены по величине красного смещения их спектров на основе эффекта Доплера. Хотя дистанции до большинства таких галактик удалось определить с большой погрешностью, Хаббл все же пришел к заключению, что между ними и скоростями скорее всего существует универсальная линейная зависимость. Об этом он написал в статье, опубликованной в начале 1929 года (E. Hubble, 1929. A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae). В 1931 году Хаббл и Хьюмасон подтвердили свой вывод на основании результатов наблюдений других галактик, некоторые из которых отдалены от Солнца более, чем на 100 миллионов световых лет (E. Hubble, M. Humason, 1931. The Velocity-Distance Relation among Extra-Galactic Nebulae). В этой работе утверждается, что радиальные скорости туманностей возрастают приблизительно на 558 км/сек с каждым увеличением расстояния до них на миллион парсек. При этом особо подчеркивается, что имеются в виду видимые скорости удаления туманностей от Земли, как они определяются из их красного смещения на основе эффекта Доплера.
Бесчисленные астрономические наблюдения давно показали, что мы живем в однородной и изотропной Вселенной, которая практически с самого рождения претерпевает перманентное расширение. Это означает, что физические расстояния между гравитационно независимыми галактиками и скоплениями галактик постоянно возрастают, однако крупномасштабная геометрия пространства Большого Космоса неизменно сохраняет однородность и изотропию. Выражаясь менее формально, в этой геометрии нет ни выделенных мест, ни выделенных направлений — так сказать, имеет место идеальная вселенская демократия.
Как показывает математический анализ, однородное и изотропное трехмерное пространство может существовать лишь в трех версиях — сферической, плоской (это наше родное пространство Евклида) и гиперболической. Всем им соответствует метрика Леметра — Фридмана — Робертсона — Уокера, которая тоже задается в трех вариантах. Формально различия между ними задаются параметром, определяющим знак (но не абсолютную величину!) кривизны пространства: для сферической геометрии она положительна, для евклидовой — нулевая, и для гиперболической — отрицательна. Как показывают многочисленные астрономические наблюдения, реальная пространственная кривизна сегодняшней Вселенной в принципе может быть отлична от нуля, однако же очень к нему близка. Это можно выразить и иначе: радиус кривизны пространства Вселенной может быть конечен, но в любом случае он намного превышает линейные размеры той ее части, которая доступна нашим наблюдениям.
Растяжение пространства увеличивает длины волн всех электромагнитных излучений, которые распространяются в космосе между гравитационно не связанными объектами. Более того, это увеличение пропорционально росту масштабного фактора.
Другая часто используемая разновидность стандартных свечей — это сверхновые типа Ia. Они имеют схожую пиковую светимость, примерно в четыре миллиарда раз превышающую солнечную. Это постоянство отнюдь не абсолютно, отклонения от среднего уровня достигают 20–30%, но их учет — решаемая проблема.
Еще одна возможность состоит в наблюдении звезд, лежащих на ветви красных гигантов. Чтобы понять, что это такое, обратимся к судьбе нашего Солнца. Через 5,4 миллиарда лет в его ядре выгорит весь водород, дав начало гелию. Когда это произойдет, Солнце потеряет гидростатическую стабильность и начнет расширяться, превращаясь в красный гигант. Этот процесс займет около двух миллиардов лет и приведет к тому, что солнечный радиус вырастет где-то в 250 раз, светимость Солнца увеличится в 2700 раз, а температура его атмосферы упадет до 2650 К. В это время многократно возрастет интенсивность солнечного ветра, что приведет к потере тридцати процентов солнечной массы.
На этом изменения не закончатся. Солнечное ядро будет постепенно сжиматься, увеличивая свою температуру. Приблизительно через 12 миллиардов лет она дойдет до ста миллионов кельвинов, и в ядре начнется взрывообразное термоядерное горение гелия (так называемая гелиевая вспышка) приводящее к синтезу углерода и кислорода. На этой стадии Солнце претерпит двадцатикратное сжатие, а температура его поверхности подрастет до 4770 К, так что наше постаревшее светило из красного сделается оранжевым.
Фаза гелиевого горения будет не слишком продолжительной — всего лишь порядка сотни миллионов лет. В это время вокруг ядра будет дожигаться водород, причем зона его сгорания сдвинется по направлению к солнечной поверхности. Когда запасы гелия иссякнут, Солнце опять потеряет стабильность, и его внешние слои расширятся практически до прежнего максимума. Температура Солнца опять упадет, на этот раз до 3100 кельвинов, и оно очутится на так называемой асимптотической ветви красных гигантов. Наконец, примерно через 30 миллионов лет Солнце выбросит свои оболочки в окружающее пространство, дав начало так называемой планетарной туманности, а его ядро превратится в медленно остывающий углеродно-кислородный белый карлик. А перед началом гелиевого горения все звезды с массой не свыше 1,8 солнечной имеют схожие светимости, которые лежат в диапазоне 2000–3000 светимостей Солнца. Область на диаграммах Герцшпрунга — Расселла, где наблюдается этот обрыв, называется вершиной ветви красных гигантов (the tip of the red giant branch, TRGB).
Первое предложение использовать TRGB в качестве стандартных свечей было выдвинуто еще в конце прошлого века. Сейчас этот метод используют для надежной калибровки космических дистанций вплоть до дистанций порядка 20 Мпк. Этот масштаб меньше по сравнению с масштабами цефеидной калибровки, но вполне приемлем. С другой стороны, число галактик, где наблюдаются вершины ветви красных гигантов, где-то в пять раз превышает число галактик с выявленными цефеидами (пятьсот против ста). Кроме того, использование наблюдений на телескопе имени Джеймса Уэбба (JWST) дает надежду довести масштаб дистанционных измерений до 50 Мпк.
Оптические наблюдения с прямыми измерениями красного смещения дали огромный массив информации, но отнюдь не стали единственным средством оценки постоянной Хаббла. В нашем столетии появились и стали быстро развиваться другие способы решения той же задачи, использующие не оптические, а радиотехнические методы наблюдений. Их применение привело к тому, что набор вычисленных значений этой константы сделался бимодальным — иначе говоря, они стали группироваться около двух показателей, отделенных друг от друга весьма значительной щелью. Именно так и возникла хаббловская контраверза, она же Hubble tension.
Новые значения постоянной Хаббла были получены благодаря наблюдениям реликтового излучения, рожденного приблизительно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. На этой стадии эволюции мироздания завершился так называемый процесс рекомбинации, который привел к тому, что в космическом пространстве стали почти свободно распространяться световые кванты, которые ранее были «сцеплены» с электронами в составе первичной плазмы. Это стало возможным из-за того, что благодаря постепенному остыванию вещества Вселенной практически все свободные электроны соединились с ядрами водорода, гелия и лития и тем положили начало нейтральным атомам.
В 2013 году Европейского космическое агентство опубликовало детальный отчет о результатах работы космической обсерватории «Планк», запущенной к второй точке Лагранжа 14 мая 2009 года. Подобно WMAP, она занималась детальными промерами интенсивности и поляризации МРИ, причем по всей небесной сфере и на девяти частотных полосах в диапазоне от 30 до 857 гигагерц. Обработка полученных результатов позволила дать еще более низкую оценку величины H0
: 67,80±0,77 (км/сек)/Мпк. Примерно такими же оказались и следующие результаты, опубликованные в 2015 и 2018 годах. Весь набор результатов «Планка», если не считать явно аномальных, укладывается в промежуток 64–70 (км/сек)/Мпк, причем наиболее убедительные величины лежат в его центре. Поскольку, как уже говорилось, до тех пор оптические наблюдения различных космических объектов неизменно показывали, что H0
принадлежит диапазону 73–74 (км/сек)/Мпк (или, по крайней мере, не слишком из него выходит), у космологов и астрофизиков возникли вполне реальные причины для беспокойства.
В 2024 году были обнародованы итоги ряда новейших наблюдений, которые, пожалуй, только усложнили проблему Hubble tension. В январе группа под руководством одного из первооткрывателей ускоренного расширения Вселенной Адама Рисса с очень высокой достоверностью подтвердила эффективность методов определения постоянной Хаббла с помощью наблюдения цефеид и сверхновых звезд, используя информацию, полученную аппаратурой Космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Другая группа с его участием в самом конце февраля обнародовала информацию о численном значении постоянной Хаббла, полученную с помощью фотометрических наблюдений вершины асимптотической ветви красных гигантов (этот метод имеет много общего с TRGB, но я позволю себе воздержаться от подробностей). Их оценки лежат в диапазоне 71–78 (км/сек)/Мпк с фидуциальным значением 74,7±(системные и статистические поправки) (км/сек)/Мпк.
В апреле результаты «Планка» практически повторила международная коллаборация DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). Ее значение H0=67,53±0,38
(км/сек)/Мпк получено на основе выявления барионных акустических осцилляций посредством оптической спектроскопии света далеких галактик. Конечно, наблюдаются не сами эти осцилляции, а их следы, только на этот раз «впечатанные» не в анизотропию реликтового излучения, а в крупномасштабные трехмерные структуры космической материи — например, скопления галактик (популярное изложение этого метода можно найти в статье L. Linke, 2024. Euclid — The Dark Universe detective).
В принципе, это сообщение не отличается абсолютной новизной. Четырьмя годами ранее близкие результаты уже были извлечены из данных, полученных в ходе предшествующего трехмерного картирования космического пространства в рамках Слоановского цифрового обзора космоса (Sloan Digital Space Survey, SDSS). Летом 2020 года одна из коллабораций-участников этого проекта оценила постоянную Хаббла в 68 (км/сек)/Мпк. С другой стороны, надо отметить, что в литературе к результатам команды DESI уже появилось немало вопросов, и нельзя исключить, что они будут скорректированы или даже опровергнуты. Как бы то ни было, бимодальность значений постоянной Хаббла никуда не делась, и как от нее избавиться, пока не известно.
Однако кое-какие предположения сделать можно. Легко заметить, что в основе бимодальности лежит тот простой факт, что численные значения постоянной Хаббла оцениваются на основе двух принципиально различных подходов. Оценки верхней моды выводятся на основе регистрации фотонных потоков, рожденных относительно недавно и не так далеко от Земли — конечно, по космологическим масштабам. Фигурально выражаясь, они несут информацию о событиях, которые на космологической шкале времен и дистанций имеют место hic et nunc, здесь и сейчас. А вот реликтовое излучение дошло к нам от эпохи рекомбинации, имевшей место, округленно, всего лишь через 400 тысяч лет после Большого взрыва. Разница бросается в глаза.
Измерения флуктуаций температуры микроволнового фона COBE (1992), WMAP (2003), Planck (2013)НАСА