Това беше в началото на 90-те години. Обсерваторията „Карнеги“в Пасадена, Калифорния, е празна за коледната почивка. Венди Фридман, сама в библиотеката, работеше върху огромен и трънлив проблем: скоростта на разширяване на Вселената. Карнеги беше плодородна почва за този вид работа. Именно тук, през 1929 г., Едвин Хъбъл за пръв път видя далечни галактики, отлетели от Млечния път, подскачащи във външния поток на разширяващото се пространство. Скоростта на този поток стана известна като константа на Хъбъл.
Тихата работа на Фридман скоро беше прекъсната, когато колегата астроном Алън Сандаж, научен наследник на Хъбъл, се втурна в библиотеката и управлява и усъвършенства константата на Хъбъл в продължение на десетилетия, последователно защитавайки бавния темп на разширяване. Фридман беше един от последните, който се застъпваше за по-високи проценти, а Сандаж я видя еретично проучване.
„Той беше толкова ядосан“, спомня си Фридман, сега в Чикагския университет, Илинойс, „че в този момент разбрах, че сме сами в цялата сграда. Направих крачка назад и помислих, че не работим в най-дружелюбните области на науката."
Тази конфронтация отшумя, но не напълно. Сандаж умира през 2010 г. и дотогава повечето астрономи се бяха сближили по тесната лента на константата на Хъбъл. Въпреки това, последните данни, които самият Sandage би харесал, сочат, че константата на Хъбъл е с 8% по-ниска от водещото число. От близо век астрономите го изчисляват, като внимателно измерват разстоянията в най-близката част на Вселената и се движат все по-далеч. Но наскоро астрофизиците измериха константа отвън, базирана на карти на космическия микровълнов фон (CMB), петна след светлината на Големия взрив, която стана фона на видимата вселена. Правейки предположения за това как изтласкването и изтеглянето на енергия и материя във Вселената е променило скоростта на космическо разширяване след формирането на космическия микровълнов фон,астрофизиците могат да вземат своите диаграми и да настроят константата на Хъбъл към текущата местна вселена. Номерата трябва да съвпадат. Но те не съвпадат.
Може би има нещо нередно в един от подходите. И двете страни търсят недостатъци в свои и чужди методи, а висши фигури като Фридман бързат да представят свои предложения. „Не знаем къде ще доведе това“, казва Фридман.
Но ако не бъде постигнато съгласие, това ще се превърне в пукнатина на твърдината на съвременната космология. Това би могло да означава, че в съществуващите теории липсва съставка, която се намесва между настоящето и древното минало, вплетена във веригата на взаимодействия между CMB и настоящата константа на Хъбъл. Ако е така, историята ще се повтори. През 90-те години Адам Риес, понастоящем астрофизик от университета Джон Хопкинс в Балтимор, Мериленд, ръководи един от екипите, открили тъмна енергия, отблъскваща сила, която ускорява разширяването на Вселената. Това е един от факторите, които изчисленията на CMB трябва да вземат предвид.
Сега екипът на Riesz търси константата на Hubble в близкото пространство и отвъд него. Целта му е не само да изясни числото, но и да улови дали се променя с времето по такъв начин, че дори тъмната енергия не може да го обясни. Засега той има малко разбиране за това какъв фактор може да липсва. И той много се интересува от случващото се.
Промоционално видео:
През 1927 г. Хъбъл премина от Млечния път, въоръжен с най-големия по това време телескоп - 2,5-метровия телескоп Хукер, разположен на връх Уилсън над Пасадена. Той снима слабите спираловидни петна, които сега познаваме като галактики, и измерва зачервяването на светлината им, докато Доплер се измества към дълги светлинни вълни. Сравнявайки червеното изместване на галактиките с тяхната яркост, Хъбъл стигна до любопитни заключения: колкото по-слаба е и, вероятно, по-далечна е галактика, толкова по-бързо тя се оттегля. Следователно Вселената се разширява. Това означава, че Вселената има ограничена епоха, която започна с Големия взрив.
Космическо противоречие
Дебатът за константата на Хъбъл и скоростта на разширяване на Вселената започна да играе с нова сила. Астрономите пристигнаха на определена дата, използвайки класическата стълба на разстояния или астрономически наблюдения на местната вселена. Но тези ценности противоречат на космологичните оценки, направени от карти на ранната Вселена и обвързани с наши дни. От този спор следва, че растежът на Вселената може да подхрани липсващата съставка.
За да определи скоростта на разширение - и съответната константа - Хъбъл се нуждаеше от реални разстояния до галактики, а не само относителни разстояния въз основа на тяхната явна яркост. Затова той започна трудоемкия процес на изграждане на отдалечено стълбище - от Млечния път до съседните галактики и отвъд него, до самите граници на разширяващото се пространство. Всяко звено на стълбата трябва да бъде калибрирано със „стандартни свещи“: предмети, които се движат, пулсират, мигат или се въртят по такъв начин, че да можете да разберете точно колко далеч са те.
Първият етап изглеждаше достатъчно надежден: променливи звезди, наречени цефеиди, които се увеличават и намаляват в яркостта в течение на няколко дни или седмици. Продължителността на този цикъл показва вътрешната яркост на звездата. Сравнявайки наблюдаваната яркост на Цефеида с яркостта, излъчвана от неговите вибрации, Хъбъл успя да изчисли разстоянието до него. Телескопът на Маунт Уилсън успя да различи няколко цефеиди в близките галактики. За далечни галактики той предполагаше, че ярките звезди в тях ще имат еднаква вътрешна яркост. Дори в най-далечните галактики, предположи Хъбъл, ще има стандартни свещи с еднаква светимост.
Очевидно тези предположения не бяха най-добрите. Първата константа, публикувана от Хъбъл, беше 500 километра в секунда на мегапарсек - тоест за всеки 3,25 милиона светлинни години той надникна в космоса, разширяващата се вселена изтласква галактики с 500 километра в секунда по-бързо. Това число е неправилно и се подразбира, че Вселената е била само на 2 милиарда години, тоест почти седем пъти по-малко, отколкото се смята днес. Но това беше само началото.
През 1949 г. е завършено строителството на 5,1-метровия телескоп в Паломар в Южна Калифорния, точно навреме за сърдечния удар на Хъбъл. Той предаде мантията на Sandage, козметичен наблюдател, който прекарваше следващите десетилетия в разработването на фотографски плаки по време на нощните сесии, работеше с гигантския телескопен апарат, треперещ от студа и нужда от почивки.
С по-високата разделителна способност на Паломар и високата светлосъбирателна сила, Sandage успя да извади цефеиди от по-далечни галактики. Той също така осъзна, че ярките звезди на Хъбъл са по същество цели звездни групи. Те имаха по-ярък характер и следователно много по-далеч от мисълта на Хъбъл, което, наред с други корекции, предполагаше много по-ниска константа на Хъбъл. През 80-те Сандаж се установява на 50, които той яростно защитава. Един от най-известните му противници, френският астроном Жерар дьо Волеуърс, предложи стойност 50. Един от най-важните параметри в космологията буквално се удвои.
В края на 90-те години на миналия век Фридман, след като преживя словесната злоупотреба на Sandage, си постави задачата да разреши този пъзел с нов инструмент, сякаш преднамерено предназначен за работата му: космическият телескоп Хъбъл. Неговата ясна гледка към атмосферата позволи на екипа на Фридман да идентифицира отделни Цефеиди 10 пъти по-далеч от Сандаж с Паломар. Понякога в тези галактики е имало както цефеиди, така и по-ярки маяци - свръхнови тип Ia. Тези експлодиращи бели звезди джудже се виждат в пространството и изригват при постоянна и максимална яркост. Калибрирани за цефеидите, свръхновите могат да се използват самостоятелно за изследване на най-отдалечените пространства. През 2001 г. екипът на Фридман стеснява константата на Хъбъл до 72 плюс или минус 8, с което завършва враждата на Sandage-de Vaucouleurs. "Бях изтощен", казва тя. "Мислех,никога не се връщайте да работите върху константата на Хъбъл."
Едвин Хъбъл
Тогава обаче се появи физик, който намери независим начин да изчисли константата на Хъбъл, използвайки най-отдалечения и червен изместен - фона на микровълновата. През 2003 г. сондата WMAP публикува първата си карта, която показва спектрите на температурните колебания в CMB. Тази карта предоставяше не стандартна свещ, а стандартен критерий: модел на горещи и студени петна в първичната супа, създаден от звукови вълни, които пулсират в цялата новородена вселена.
Като направи няколко предположения за съставките в тази супа - под формата на познати частици, атоми и фотони, някои допълнителни невидими вещества като тъмна материя и тъмна енергия - екипът на WMAP успя да изчисли физическия размер на тези първични звукови вълни. Може да се сравни с видимия размер на звуковите вълни, записани в CMB петна. Това сравнение даде разстоянието до фона на микровълновата и стойността на скоростта на разширяване на Вселената в този първоначален момент. Като прави предположения как обикновените частици, тъмната енергия и тъмната материя са променили разширяването оттогава, екипът на WMAP успя да приведе константата в съответствие с текущата скорост на убиване. Първоначално са извадили стойност 72, според това, което Фридман откри.
Но оттогава астрономическите измервания на константата на Хъбъл показват по-високи стойности, въпреки че грешката е намаляла. В последните публикации Риес направи крачка напред, използвайки инфрачервена камера, инсталирана през 2009 г. в телескопа Хъбъл, която може едновременно да определи разстоянията до Цефеидите на Млечния път и да подчертае най-отдалечените им, по-червени братовчеди от по-сините звезди, които обикновено заобикалят цефеидите. Последният резултат, даден от екипа на Риес, беше 73.24.
Междувременно мисията на Planck (ESA), която показа CMB с висока разделителна способност и с повишена точност на температурата, спря на 67.8. Според законите на статистиката тези две величини са разделени от пропаст от 3,4 сигма - не 5 сигма, което във физиката на частиците говори за значителен резултат, но почти. „Трудно е да се обясни със статистическа грешка“, казва Чък Бенет, астрофизик от университета Джон Хопкинс, който ръководи екипа на WMAP.
Всяка страна сочи пръст към другата. Георг Ефстатий, водещият космолог в екипа на Планк в университета в Кеймбридж, казва, че данните на Планк са "абсолютно непоклатими". Нов анализ на резултатите на Планк през 2013 г. го накара да се замисли. Той изтегли данните от Риес и публикува свой собствен анализ с по-ниска и не толкова точна константа на Хъбъл. Той смята, че астрономите опипват за "мръсна" стълба.
В отговор астрономите твърдят, че правят реално измерване на съвременната Вселена, тъй като методът за измерване на CMB разчита на много космологични предположения. Ако те не се сближат, те казват, защо да не променим космологията? Вместо това „Георг Ефстатий излиза и казва: Ще преосмисля всичките ви данни“, казва Бари Мадор от Чикагския университет, съпруг и колега на Фридман от 80-те години. Какво да правя? Гордиевият възел трябва да бъде отрязан.
Уенди Фридман вярваше, че нейното проучване от 2001 г. е разкрило константата на Хъбъл, но противоречието се възкреси.
От страната на астрономите съществува метод, наречен гравитационно лещиране. Около масивна галактика самата гравитация изкривява пространството, образувайки гигантска леща, която може да изкриви светлината, идваща от далечен светлинен източник като квазар. Ако подравняването на лещата и квазара е сигурно, светлината ще се втурне по няколко пътеки към Земята и ще създаде много изображения на обективната галактика. Ако имате късмет, квазарът ще се промени в яркостта, тоест трептене. Всяко клонирано изображение също ще премигва, но не по едно и също време, защото лъчите на светлината от всяко изображение поемат различни пътища през изкривеното пространство. Закъснението между трептенията показва разликата в дължините на пътя; като ги съпоставят с размера на галактиката, астрономите могат да използват тригонометрия, за да изчислят абсолютното разстояние до обективната галактика. Само три галактики са внимателно измерени по този начин, а в момента се изучават още шест. В края на януари астрофизикът Шери Сую от Института за астрофизика Макс Планк в Германия и нейните колеги публикуват най-добрите си изчисления на константата на Хъбъл. „Нашето измерение се вписва в подхода на разстоянието на стълбата“, казва Сую.
Междувременно космолозите имат и козове в ръкав: барионни акустични трептения (БАО). С напредването на Вселената същите звукови вълни, които бяха отпечатани върху CMB, оставиха буци материя, прераснала в галактически клъстери. Разположението на галактиките в небето трябва да запазва първоначалните съотношения на звуковите вълни и, както преди, сравняването на видимия модел с изчисления му действителен размер определя разстоянието. Подобно на метода CMB, методът BAO позволява да се направи космологично предположение. Но през последните няколко години той поддържа стойностите на константата на Хъбъл наравно с Планк. Четвъртата итерация на Sloan Digital Sky Survey, глобално проучване на небето, което картографира галактическата карта, ще помогне да се усъвършенстват тези измервания.
Това не означава, че отборите, които се състезават за стълбичката на дистанции и CMB, просто чакат други начини за разрешаване на спора. За да затвърди основата на дистанционната стълба, разстоянието до цефеидите в Млечния път, мисията на Гея на Европейската космическа агенция се опитва да определи точните разстояния до милиард различни звезди наблизо, включително цефеиди. Гея, която обикаля около Слънцето извън Земята, използва най-надеждната мярка: паралакс или привидното изместване на звезди спрямо фона на небето, когато космическият кораб достигне противоположни точки в орбитата си. Когато пълният набор от данни на Gaia бъде пуснат през 2022 г., това ще даде допълнителна основа за доверието на астрономите. Рис вече намери намеци в полза на по-високата си константа на Хъбъл, когато използва предварителни резултати от Гея.
Космолозите също се надяват да затвърдят своите измервания с космологичния телескоп Atacama в Чили и телескопа на Южния полюс, който може да тества високоточните резултати на Планк. И ако резултатите откажат да се сближат, тогава теоретиците ще се опитат да затворят пропастта. „Добре е, когато моделът се срине. Проверката на модела не е интересна."
Например, човек може да добави допълнителна частица към Стандартния модел на Вселената. CMB предлага приблизителна оценка на общия енергиен бюджет малко след Големия взрив, когато той се раздели на материя и високоенергийно излъчване. Както следва от известната формула за еквивалентност на Айнщайн E = mc2, енергията действа като материя, забавяйки разширяването на пространството със своята гравитация. Но материята е по-ефективна спирачка. С течение на времето излъчването - фотони на светлина и други светлинни частици като неутрино - се охлажда и губи енергия, гравитационният ефект отслабва.
Понастоящем са известни три вида неутрино. Ако имаше четвърти, както предполагаха някои теоретици, в първоначалния енергиен бюджет на Вселената имаше малко повече от радиационната страна и тази част ще се разсейва по-бързо. Това от своя страна би означавало, че ранната Вселена се разширява по-бързо, отколкото прогнозира списъкът на съставките на съвременната космология. В бъдеще това допълнение може да съгласува два различни резултата. Но неутрино детекторите все още не са разкрили никакви намеци за неутрино тип 4, а другите измервания на Планк ограничават общото количество излишно лъчение.
Друг вариант е така наречената фантомна тъмна енергия. Истинските космологични модели означават постоянна мощност от тъмна енергия. Ако с времето тъмната енергия се засили, това би обяснило защо космосът се разширява по-бързо днес, отколкото някой би си помислил, че гледа ранната Вселена. Променливата тъмна енергия обаче изглежда напълно излишна. Космолозите и астрофизиците са склонни да вярват, че проблемите се крият в съществуващите методи, а не в новата физика.
Фридман смята, че единственото решение - да се бориш с огъня с огън - се крие в новите наблюдения на Вселената. Заедно с Мадор те се готвят да проведат отделно измерване, калибрирано не само за цефеидите, но и за други видове променливи звезди и яркочервени гиганти. Най-близките примери могат да бъдат проучени с помощта на автоматичен телескоп с ширина 30 сантиметра, а далечните ще помогнат за изследване на космическите телескопи Хъбъл и Шпицер. След като успее да се справи с мрачния и насилствен Sandage, тя е готова да отговори на дръзкото предизвикателство на екипа на Planck и Riesz.
„Казаха, че грешим. Е, да видим - шегува се тя.
ИЛЯ КХЕЛ