Nature and Nature’s laws lay hid in night:
God said ‘Let Newton be! ‘ and all was light…
Alexander Pope
…It did not last: the Devil howling ‘Ho!
Let Einstein be,’ restored the status quo.
John Collings Squire
Якщо ви десь відловите астрофізика-космолога і запитаєте його, наскільки швидко розширюється Всесвіт, то, скоріш за все, він скаже, що питання поставлене некоректно. Адже відповідь на нього залежить від того, як глибоко в космос ви зазирнули. Далі, напевно, йтиметься про розбігання галактик завдяки розширенню простору, про закон Габбла — Леметра, а там вже й недалеко до обговорення напруженості Габбла — однієї з найгостріших проблем сучасної космології. Що ж, поговоримо і ми про біль космологів ХХІ століття.
Що там у вас вибухнуло?
Найчастіші космологічні запитання, які ставлять любителі космосу, звучать приблизно так: «Де центр Всесвіту?», «Коли закінчився Великий вибух?», «Наскільки швидко розширюється Всесвіт?», «Наскільки Всесвіт великий?» та «Що за межами Всесвіту?». Попри цікавість до зазначених аспектів, численні моделі, симуляції та спекуляції, на деякі з цих питань відповідей і досі нема, та й важко сказати, чи будуть колись.
Близько 100 років тому, зусиллями Жоржа Леметра (1927 р.) та Едвіна Габбла (1929 р.), було встановлено, що галактики в середньому віддаляються від нас, тобто, як іще кажуть, розбігаються. І швидкість віддалення галактик прямо пропорційна відстані до них. Цей, на перший погляд, простий закон зараз відомий як закон Габбла, або Габбла — Леметра. Коефіцієнт пропорційності H0, який у нього входить, історично називається сталою Габбла і вимірюється у кілометрах за секунду на мегапарсек (км/с/Мпс). Тобто він показує наскільки швидко віддаляється від нас галактика, що розташована на відстані 1 мегапарсек, або 3.26 млн світлових років.
Варто зазначити, що експериментальному відкриттю розбігання галактик передувала теоретична модель. У 1922 році Олександр Олександрович Фрідман знайшов нестаціонарне розв’язання гравітаційного рівняння Альберта Ейнштейна та передбачив розширення Всесвіту. Якщо ж подумки повернути час назад, то можна дійти до висновку, що колись уся матерія була надзвичайно компактно спакована. Саме таку думку в 1931 році висловив Леметр. А дещо пізніше Георгій Антонович Гамов, прихильник теорії Фрідмана, додатково уточнив, що Всесвіт мав бути не тільки компактним, а ще й неймовірно гарячим. Так сформувалося те, що тоді називали динамічною еволюціонуючою моделлю Всесвіту.
Як і будь-які революційні ідеї, теорія, яку розвивали Фрідман, Леметр та Гамов, тривалий час сприймалася з великим скепсисом, і далеко не всі астрофізики вірили в неї, здебільшого дотримуючись гіпотези «безперервного народження матерії» в умовах розширення Всесвіту. До цього «табору» зокрема належав і нобелівський лауреат Фред Гойл. Іронічно, але саме завдяки йому з’явився термін «Великий вибух». У своїй лекції на радіо BBC 28 березня 1949 року, коментуючи неспроможність нової теорії, він висловився так: «Ці теорії ґрунтувалися на гіпотезі про те, що вся матерія у Всесвіті була створена в результаті одного великого вибуху в певний момент часу в далекому минулому».
Хоча й не одразу, а через пару десятиліть, термін «Великий вибух» поступово прижився, і наразі ним позначають не стільки «початок Всесвіту», скільки космологічну теорію, що описує надзвичайно стрімке його розширення з початкового компактного гарячого стану. Наслідки тієї епохи ми бачимо і зараз — у вигляді розбігання галактик.
Як швидко тікають галактики?
Наразі теорія Великого вибуху в астрофізиці вважається загальноприйнятою: її дотримується переважна більшість космологів, за винятком хіба що невеликої кількості маргіналів. Але, як це часто буває, диявол — в деталях. І в цьому випадку він криється безпосередньо у визначенні конкретного значення тієї самої сталої Габбла — ключового параметра еволюції Всесвіту.
Розраховане Едвіном Габблом значення H0 становило ~500 км/с/Мпс, тоді як різноманітні виміри сучасних астрофізиків дають значення приблизно 73 км/с/Мпс. То звідки береться ця драматична різниця?
Основним результатом Габбла було встановлення залежності між швидкістю руху галактик та відстанню до них. Із визначенням швидкості у напрямку від спостерігача все доволі просто. Її обчислюють за спектрами, вимірюючи червоний зсув (аналог ефекту Доплера). А от визначення відстаней до галактик є справжньою проблемою як 100 років тому, так і зараз.
Попри усю високотехнологічність сучасного астрономічного обладнання, прямих надійних методів виявити, наскільки далекою є галактика, не існує. Тому на великих відстанях астрофізики використовують так звані «стандартні свічки», тобто такі об’єкти в цих галактиках, яскравість яких добре відома. До них здебільшого відносять наднові типу Ia (вибух білого карлика в результаті накопичення критичної кількості речовини із зорі-компаньйона) та цефеїди, хоча іноді спираються і на інші зоряні об’єкти.
Так, Едвін Габбл використовував цефеїди. Це клас яскравих пульсуючих зір-надгігантів (іноді — гігантів), який дуже полюбляють астрономи через залежність між періодом та світністю. Період пульсацій легко обчислити зі спостережень, а знаючи яскравість — можна обчислити й відстань.
Проблема полягала в тому, що в даних Габбла було кілька систематичних помилок. Одна з них — тоді ще не було відомо, що цефеїди бувають різних підтипів. Інша помилка — Габбл не враховував міжзоряне та міжгалактичне поглинання видимого випромінювання. Ще одна — деякі змінні джерела, які науковець вважав ізольованими цефеїдами, насправді виявилися цілими зоряними скупченнями. Це все і призвело до такої істотної переоцінки сталої Габбла самим Едвіном Габблом. Сучасніші дослідження дають значення H0 здебільшого між 70 та 74 км/с/Мпс.
Однак тут не все так просто. У 1998 році Сол Перлмуттер, Браян П. Шмідт та Адам Рісс виявили, що наднові типу Ia у віддалених галактиках здавалися менш яскравими, ніж очікувалося. З цього був зроблений висновок, що раніше Всесвіт розширювався повільніше, тоді як зараз розширюється з прискоренням. Вочевидь, щось протидіє гравітації, «розштовхуючи» галактики. Ця таємнича сила зараз відома як темна енергія, а за своє відкриття у 2011 році трійця вчених стала нобелівськими лауреатами. Водночас виявилося, що стала Габбла зовсім не є сталою, а змінюється з часом, а тому її буде коректніше називати параметром Габбла.
Бачене і непередбачуване
У 1965 році двоє американських астрофізиків Арно Пензіас і Роберт Вільсон, налаштовуючи свою новеньку рупорно-параболічну антену, виявили що Всесвіт… шумить! Точніше, вони зафіксували надлишковий температурний шум, що відповідав ~3,5 кельвінам. Виключивши поступово усі можливі його джерела, від різноманітних приладів до голубиного посліду в рупорі антени, та переконавшись, що шум є постійним і приходить рівномірно з усіх напрямків, вчені визнали-таки його космічне походження. А 1978 року Пензіас і Вільсон отримали Нобелівську премію «за відкриття космічного мікрохвильового фонового випромінювання».
Не те щоб «шум» Всесвіту був несподіванкою. Його існування вже було передбачене Гамовим наприкінці 1940-х — це майже напряму витікало з гарячого початкового стану Всесвіту. Коли через ~380 000 років від початку Всесвіту космос нарешті став прозорим для теплового випромінювання, фотони почали розлітатися вусібіч. Їхня енергія на той момент відповідала температурі 3000 К. Але відтоді вони «охолодилися», і, за розрахунками Гамова, фонове реліктове випромінювання повинно було мати температуру ~3 К.
Цей прогноз виявився дивовижно влучним. Такі супутники як COBE, WMAP та їхній «наступник» Planck виміряли енергію реліктового випромінювання з безпрецедентною точністю. В середньому вона відповідає температурі 2,725 К. Та насправді є крихітні неоднорідності — не більше ніж кілька сотень мікрокельвінів. Але саме вони відображають варіації щільності у зовсім юному Всесвіті, й за їхнє відкриття (на даних супутника COBE) у 2006 році Джордж Смут та Джон Мазер отримали Нобелівську премію.
Те, що для абсолютної більшості людей здається шумом, для астрофізиків-космологів є цінним джерелом корисної інформації. Вивчаючи ці ледь помітні флуктуації реліктового випромінювання, та маючи теоретичну космологічну модель, науковці можуть обчислити параметр Габбла — такий, яким він має бути на цей момент.
Сучасна стандартна космологічна модель ΛCDM описується за допомогою низки параметрів. Варіюючи їхнє значення, можна підібрати такий набір, що відповідатиме картині реліктового випромінювання. Але ось проблема: за даними Planck виходить, що H0 = 67.4 ± 0.5 км/с/Мпс, а зовсім не 73, як було визначено за стандартними свічками!
Здавалося б, різниця у 10 % не є аж такою істотною. Та насправді вона статистично значуща і змушує серйозно замислитися: може ми не розуміємо якихось фундаментальних факторів, присутніх у ранньому Всесвіті? Розбіжність між значеннями параметра Габбла, визначеними різними способами, настільки хвилює космологів, що за цією проблемою закріпилася назва «напруженість Габбла» чи навіть «криза Габбла», а докупи ще й слава однієї з найскладніших проблем сучасної астрофізики.
Де вихід із цієї «кролячої нори»?
Впродовж останнього десятиліття робилися численні спроби усунути напруженість Габбла, зокрема за допомогою славетного однойменного телескопа. Так, наприклад, 2019 року вийшло дослідження, що мало на меті «перекалібрувати» космічну лінійку відстаней. Воно базувалося на спостереженнях 70 цефеїд Великої Магелланової Хмари на космічному телескопі Hubble. Нове значення злощасного параметра виявилося 74 км/с/Мпс.
«Добре, — сказали астрофізики, — нам просто потрібен більш точний інструмент». На щастя, в наші дні такий інструмент вже є — космічний телескоп ім. Джеймса Вебба (JWST). Чи допоміг крутіший телескоп у розв’язанні фундаментальної загадки? На жаль, ні. У 2024 році група науковців виконала безпрецедентно точні вимірювання відстаней до низки галактик, спостерігаючи цефеїди та наднові на JWST. І все це тільки для того, аби виявити, що результат цілком узгоджується з отриманим раніше за спостереженнями Hubble.
А близько місяця тому була офіційно опублікована стаття, автори якої, використовуючи здебільшого спостереження JWST, оцінювали параметр Габбла окремо за різними видами стандартних свічок. Отримане в результаті дослідження середнє значення 69,03 ± 1,75 км/с/Мпс начебто послаблює напруженість Габбла, хоча і не знімає її повністю.
Для остаточного розв’язання проблеми різні групи науковців висувають різноманітні гіпотези. Згідно з однією з них, проблема полягає в тому, що наша Галактика перебуває неподалік від межі войда — гігантської космічної порожнечі, в якій галактики зустрічаються надзвичайно рідко. В інших роботах автори припускають, що темна енергія на ранніх етапах розвитку Всесвіту мала інші параметри. Це, скоріш за все, має сенс, з огляду на те, що у березні 2025 року було достатньо надійно встановлено зміну впливу темної енергії з часом. Є і зовсім екстравагантні гіпотези — наприклад, глобальне обертання Всесвіту. Однак жодна з них не дає вичерпної відповіді на головну космологічну кризу.
Для астрономічної спільноти XX сторіччя стало епохою фундаментальних відкриттів, що перевернули світогляд. Впродовж дуже короткого проміжку часу людство відкрило для себе і теорію відносності, і те, що Всесвіт не обмежується лише нашою Галактикою, а містить неймовірну кількість «зоряних острівців», і що космічний простір нестримно розширюється вже 13,8 млрд років, та ще й на додачу — темну матерію та темну енергію.
Космологи XXI сторіччя поки що здебільшого вносять уточнення у встановлені раніше закони й теорії. Проте поступово накопичуються певні розбіжності у космологічних уявленнях та спостережуваних даних. Головні з них — напруженість Габбла та виявлення за допомогою JWST аномально зрілих галактик в епоху дуже юного Всесвіту.
Чи означає це, що ми стоїмо на порозі нової революції в космології, чекаючи на молодого геніального астрофізика? А може, це будуть лише делікатні уточнення початкових умов еволюції Всесвіту, які усунуть напруженість Габбла? Чи, може, новий лицар сучасної науки зробить приблизно те, що століття тому зробив Ейнштейн із ньютонівською динамікою — рознесе вщент усталені космологічні теорії?
