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
Если вы где-нибудь поймаете астрофизика-космолога и спросите его, насколько быстро расширяется Вселенная, то, скорее всего, он скажет, что вопрос поставлен некорректно. Ведь ответ на него зависит от того, как глубоко в космос вы заглянули. Далее, наверное, речь пойдет о разбегании галактик благодаря расширению пространства, о законе Хаббла — Леметра, а там уже и недалеко до обсуждения напряженности Хаббла — одной из самых острых проблем современной космологии. Что ж, поговорим и мы о боли космологов XXI века.
Что там у вас взорвалось?
Наиболее частые космологические вопросы, которые задают любители космоса, звучат примерно так: «Где центр Вселенной?», «Когда закончился Большой взрыв?», «Насколько быстро расширяется Вселенная?», «Насколько Вселенная велика?» и «Что за пределами Вселенной?». Несмотря на интерес к указанным аспектам, многочисленные модели, симуляции и спекуляции, на некоторые из этих вопросов ответов до сих пор нет, да и трудно сказать, будут ли они когда-нибудь.
Около 100 лет назад, усилиями Жоржа Леметра (1927 г.) и Эдвина Хаббла (1929 г.), было установлено, что галактики в среднем удаляются от нас, то есть, как еще говорят, разбегаются. И скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Этот, на первый взгляд, простой закон сейчас известен как закон Хаббла или Хаббла — Леметра. Коэффициент пропорциональности H0, который в него входит, исторически называется постоянной Хаббла и измеряется в километрах за секунду на мегапарсек (км/с/Мпс). То есть он показывает, насколько быстро удаляется от нас галактика, расположенная на расстоянии 1 мегапарсек, или 3,26 млн световых лет.
Стоит отметить, что экспериментальному открытию расхождения галактик предшествовала теоретическая модель. В 1922 году Александр Александрович Фридман нашел нестационарное решение гравитационного уравнения Альберта Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной. Если же мысленно повернуть время вспять, то можно прийти к выводу, что когда-то вся материя была чрезвычайно компактно упакована. Именно такую мысль в 1931 году высказал Леметр. А несколько позже Георгий Антонович Гамов, сторонник теории Фридмана, дополнительно уточнил, что Вселенная должна была быть не только компактной, но и невероятно горячей. Так сформировалось то, что тогда называли динамической эволюционирующей моделью Вселенной.
Как и любые революционные идеи, теория, которую развивали Фридман, Леметр и Гамов, долгое время воспринималась с большим скепсисом, и далеко не все астрофизики верили в нее, в основном придерживаясь гипотезы «непрерывного рождения материи» в условиях расширения Вселенной. К этому «лагерю» в частности принадлежал и нобелевский лауреат Фред Хойл. Иронично, но именно благодаря ему появился термин «Большой взрыв». В своей лекции на радио BBC 28 марта 1949 года, комментируя несостоятельность новой теории, он высказался так: «Эти теории основывались на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного большого взрыва в определенный момент времени в далеком прошлом».
Хотя и не сразу, а через пару десятилетий, термин «Большой взрыв» постепенно прижился, и сейчас им обозначают не столько «начало Вселенной», сколько космологическую теорию, описывающую чрезвычайно стремительное ее расширение из первоначального компактного горячего состояния. Последствия той эпохи мы видим и сейчас — в виде разбегания галактик.
Как быстро убегают галактики?
В настоящее время теория Большого взрыва в астрофизике считается общепринятой: ее придерживается подавляющее большинство космологов, за исключением разве что небольшого количества маргиналов. Но, как это часто бывает, дьявол — в деталях. И в данном случае он кроется непосредственно в определении конкретного значения той самой постоянной Хаббла — ключевого параметра эволюции Вселенной.
Рассчитанное Эдвином Хабблом значение H0 составляло ~500 км/с/Мпс, тогда как различные измерения современных астрофизиков дают значение примерно 73 км/с/Мпс. Откуда же берется эта драматическая разница?
Основным результатом Хаббла было установление зависимости между скоростью движения галактик и расстоянием до них. С определением скорости в направлении от наблюдателя все довольно просто. Ее вычисляют по спектрам, измеряя красный сдвиг (аналог эффекта Доплера). А вот определение расстояний до галактик является настоящей проблемой как 100 лет назад, так и сейчас.
Несмотря на всю высокотехнологичность современного астрономического оборудования, прямых надежных методов определить, насколько далека галактика, не существует. Поэтому на больших расстояниях астрофизики используют так называемые «стандартные свечи», то есть такие объекты в этих галактиках, яркость которых хорошо известна. К ним в основном относят сверхновые типа Ia (взрыв белого карлика в результате накопления критического количества вещества из звезды-компаньона) и цефеиды, хотя иногда опираются и на другие звездные объекты.
Так, Эдвин Хаббл использовал цефеиды. Это класс ярких пульсирующих звезд-сверхгигантов (иногда — гигантов), который очень любят астрономы из-за зависимости между периодом и светимостью. Период пульсаций легко вычислить по наблюдениям, а зная яркость — можно вычислить и расстояние.
Проблема заключалась в том, что в данных Хаббла было несколько систематических ошибок. Одна из них — тогда еще не было известно, что цефеиды бывают разных подтипов. Другая ошибка — Хаббл не учитывал межзвездное и межгалактическое поглощение видимого излучения. Еще одна — некоторые переменные источники, которые ученый считал изолированными цефеидами, на самом деле оказались целыми звездными скоплениями. Все это и привело к такой существенной переоценке постоянной Хаббла самим Эдвином Хабблом. Более современные исследования дают значение H0 в основном между 70 и 74 км/с/Мпс.
Однако здесь не все так просто. В 1998 году Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс обнаружили, что сверхновые типа Ia в удаленных галактиках казались менее яркими, чем ожидалось. Из этого был сделан вывод, что раньше Вселенная расширялась медленнее, тогда как сейчас расширяется с ускорением. Очевидно, что-то противодействует гравитации, «расталкивая» галактики. Эта таинственная сила сейчас известна как темная энергия, а за свое открытие в 2011 году тройка ученых стала лауреатами Нобелевской премии. В то же время оказалось, что постоянная Хаббла вовсе не является постоянной, а меняется со временем, поэтому ее будет корректнее называть параметром Хаббла.
Видимое и непредсказуемое
В 1965 году два американских астрофизика Арно Пензиас и Роберт Уилсон, настраивая свою новую рупорную параболическую антенну, обнаружили, что Вселенная… шумит! Точнее, они зафиксировали избыточный температурный шум, соответствующий ~3,5 кельвинам. Постепенно исключив все возможные его источники, от различных приборов до голубиного помета в рупоре антенны, и убедившись, что шум постоянен и приходит равномерно со всех направлений, ученые признали его космическое происхождение. А в 1978 году Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию «за открытие космического микроволнового фонового излучения».
Не то чтобы «шум» Вселенной был неожиданностью. Его существование уже было предсказано Гамовым в конце 1940-х — это почти напрямую вытекало из горячего начального состояния Вселенной. Когда через ~380 000 лет от начала Вселенной космос наконец стал прозрачным для теплового излучения, фотоны начали разлетаться во все стороны. Их энергия на тот момент соответствовала температуре 3000 К. Но с тех пор они «остыли», и, по расчетам Гамова, фоновое реликтовое излучение должно было иметь температуру ~3 К.
Этот прогноз оказался удивительно точным. Такие спутники, как COBE, WMAP и их «преемник» Planck, измерили энергию реликтового излучения с беспрецедентной точностью. В среднем она соответствует температуре 2,725 К. Но на самом деле есть крошечные неоднородности — не более нескольких сотен микрокельвинов. Но именно они отражают вариации плотности в совсем юной Вселенной, и за их открытие (на данных спутника COBE) в 2006 году Джордж Смут и Джон Мазер получили Нобелевскую премию.
То, что для абсолютного большинства людей кажется шумом, для астрофизиков-космологов является ценным источником полезной информации. Изучая эти едва заметные флуктуации реликтового излучения и располагая теоретической космологической моделью, ученые могут вычислить параметр Хаббла — такой, каким он должен быть на данный момент.
Современная стандартная космологическая модель ΛCDM описывается с помощью ряда параметров. Варьируя их значение, можно подобрать такой набор, который будет соответствовать картине реликтового излучения. Но вот проблема: по данным Planck получается, что H0 = 67,4 ± 0,5 км/с/Мпс, а вовсе не 73, как было определено по стандартным свечам!
Казалось бы, разница в 10 % не является столь существенной. Но на самом деле она статистически значима и заставляет серьезно задуматься: может быть, мы не понимаем каких-то фундаментальных факторов, присутствующих в ранней Вселенной? Расхождение между значениями параметра Хаббла, определенными разными способами, настолько волнует космологов, что за этой проблемой закрепилось название «напряженность Хаббла» или даже «кризис Хаббла», а вместе с тем и слава одной из самых сложных проблем современной астрофизики.
Где выход из этой «кроличьей норы»?
В течение последнего десятилетия предпринимались многочисленные попытки устранить напряженность Хаббла, в частности с помощью знаменитого одноименного телескопа. Так, например, в 2019 году вышло исследование, целью которого было «перекалибровать» космическую линейку расстояний. Оно базировалось на наблюдениях 70 цефеид Большого Магелланова Облака на космическом телескопе Hubble. Новое значение злополучного параметра оказалось 74 км/с/Мпс.
«Хорошо, — сказали астрофизики, — нам просто нужен более точный инструмент». К счастью, в наши дни такой инструмент уже есть — космический телескоп им. Джеймса Вебба (JWST). Помог ли более крутой телескоп в решении фундаментальной загадки? К сожалению, нет. В 2024 году группа ученых выполнила беспрецедентно точные измерения расстояний до ряда галактик, наблюдая цефеиды и сверхновые на JWST. И все это только для того, чтобы обнаружить, что результат полностью согласуется с полученным ранее по наблюдениям Hubble.
А около месяца назад была официально опубликована статья, авторы которой, используя в основном наблюдения JWST, оценивали параметр Хаббла отдельно по различным видам стандартных свечей. Полученное в результате исследования среднее значение 69,03 ± 1,75 км/с/Мпс как будто ослабляет напряженность Хаббла, хотя и не снимает ее полностью.
Для окончательного решения проблемы различные группы ученых выдвигают разнообразные гипотезы. Согласно одной из них, проблема заключается в том, что наша Галактика находится недалеко от границы войда — гигантской космической пустоты, в которой галактики встречаются чрезвычайно редко. В других работах авторы предполагают, что темная энергия на ранних этапах развития Вселенной имела другие параметры. Это, скорее всего, имеет смысл, учитывая, что в марте 2025 года было достаточно надежно установлено изменение влияния темной энергии со временем. Есть и совсем экстравагантные гипотезы — например, глобальное вращение Вселенной. Однако ни одна из них не дает исчерпывающего ответа на главный космологический кризис.
Для астрономического сообщества XX век стал эпохой фундаментальных открытий, перевернувших мировоззрение. За очень короткий промежуток времени человечество открыло для себя и теорию относительности, и то, что Вселенная не ограничивается только нашей Галактикой, а содержит невероятное количество «звездных островков», и что космическое пространство стремительно расширяется уже 13,8 млрд лет, да еще и в придачу — темную материю и темную энергию.
Космологи XXI века пока в основном вносят уточнения в установленные ранее законы и теории. Однако постепенно накапливаются определенные расхождения в космологических представлениях и наблюдаемых данных. Главные из них — напряженность Хаббла и обнаружение с помощью JWST аномально зрелых галактик в эпоху очень молодой Вселенной.
Означает ли это, что мы стоим на пороге новой революции в космологии, ожидая молодого гениального астрофизика? А может, это будут лишь деликатные уточнения начальных условий эволюции Вселенной, которые устранят напряженность Хаббла? Или, может, новый рыцарь современной науки сделает примерно то, что столетие назад сделал Эйнштейн с ньютоновской динамикой — разнесет в пух и прах устоявшиеся космологические теории?
