Космический телескоп Уэбба измеряет скорость расширения Вселенной

Комбинированные наблюдения с помощью камеры НАСА NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и камеры НАСА WFC3 (широкоугольная камера 3) показывают спиральную галактику NGC 5584, находящуюся на расстоянии 72 миллионов световых лет от Земли. Среди ярких звезд NGC 5584 есть пульсары, называемые переменными цефеид, и сверхновая типа Ia, особый класс взрывающихся звезд. Астрономы используют переменные цефеид и сверхновые типа Ia в качестве надежных маркеров расстояний для измерения скорости расширения Вселенной. Источник изображения: НАСА, ЕКА, ККА и А. Рисс (STScI)

Хаббловское напряжение относится к разнице между наблюдаемой и ожидаемой скоростью расширения Вселенной. тот Космический телескоп Джеймса Уэбба Пересматривает измерения, которые он сделал ранее Космический телескоп Хаббл. Несмотря на прогресс, остаются вопросы о быстром расширении Вселенной и возможных лежащих в ее основе космических явлениях.

Скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является одним из фундаментальных критериев для понимания эволюции и окончательной судьбы Вселенной. Однако существует устойчивая разница, называемая «напряжением Хаббла», которая появляется между значением константы, измеренной широким диапазоном независимых индексов расстояния, и ее значением, ожидаемым от великий взрыв сумерки.

НАСАКосмический телескоп Джеймса Уэбба предоставляет новые возможности для изучения и уточнения некоторых из наиболее убедительных наблюдательных доказательств этой напряженности. Нобелевский лауреат Адам Райс из Университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа представляет недавнюю работу, проделанную им и его коллегами по использованию наблюдений Уэбба для повышения точности локальных измерений постоянной Хаббла.

Проблема космологических измерений

«Вы когда-нибудь пытались увидеть отметку, находящуюся на краю вашего зрения? Что она говорит? Что это значит? Даже с помощью самых мощных телескопов «метки», которые астрономы хотят прочитать, кажутся настолько маленькими, что нам трудно , слишком.»

«Знак, который хотят прочитать космологи, — это знак предела космической скорости, который говорит нам, насколько быстро расширяется Вселенная — число, называемое постоянной Хаббла. Наш знак написан на звездах в далеких галактиках. Яркость некоторых звезд в далеких галактиках Чтобы достичь нас, красное смещение галактик говорит нам, насколько расширилась Вселенная за этот период и, следовательно, расширение в среднем.

На этой диаграмме показаны объединенные возможности космических телескопов НАСА «Хаббл» и «Уэбб» в определении точных расстояний до особого класса переменных звезд, используемых для калибровки скорости расширения Вселенной. Эти переменные звезды-цефеиды можно увидеть в густонаселенных звездных полях. Световое загрязнение от окружающих звезд может сделать измерение яркости цефеиды менее точным. Более четкое инфракрасное изображение Уэбба позволяет более четко изолировать цель цефеиды от окружающих звезд, как видно на правой стороне диаграммы. Данные Уэбба подтверждают точность 30-летних наблюдений Хаббла за цефеидами, которые сыграли решающую роль в определении нижней ступени шкалы космических расстояний для измерения скорости расширения Вселенной. Слева NGC 5584 показана на составном изображении, полученном Webb NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и широкоугольной камерой Хаббла 3. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, А. Рисс (STScI), В. Юань (STScI).

«Особый класс звезд, переменные цефеиды, уже более столетия дает нам наиболее точные измерения расстояний, потому что эти звезды необычайно яркие: это звезды-гиганты, светимость которых в сто тысяч раз превышает светимость Солнца. Более того, они пульсируют (т. е. расширяться и сжиматься по величине) в течение нескольких недель, что указывает на их относительную яркость. Чем дольше этот период, тем он по своей сути ярче. Это инструмент золотого стандарта для измерения расстояний между галактиками в сто миллионов световых лет или К сожалению, с нашей удаленной точки зрения звезды в галактиках группируются вместе на небольшой площади, поэтому нам часто не хватает разрешения, чтобы отделить их от соседей по лучу зрения.

Вклад Хаббла и разработки Уэбба

«Главным оправданием создания космического телескопа «Хаббл» было решение этой проблемы. До запуска «Хаббла» в 1990 году и последующих измерений цефеид скорость расширения Вселенной была настолько неопределенной, что астрономы не были уверены, расширяется ли Вселенная в течение 10 миллиардов или 20 миллиардов лет. миллиардов лет. Это потому, что более высокая скорость расширения приведет к более молодому возрасту Вселенной, а более медленная скорость расширения приведет к более старому возрасту Вселенной. Хаббл имеет лучшее разрешение видимой длины волны, чем любой наземный телескоп, потому что он Расположена над туманными эффектами земной атмосферы. В результате она может идентифицировать отдельные переменные цефеиды в галактиках, находящихся на расстоянии более ста миллионов световых лет, и измерять временной интервал, в течение которого меняется ее яркость.

«Однако мы также должны наблюдать звезды-цефеиды в ближней инфракрасной части спектра, чтобы увидеть свет, который проходит невредимым сквозь промежуточную пыль (пыль поглощает и рассеивает синий оптический свет, заставляя далекие объекты казаться тусклыми и заставляя нас думать они дальше, чем они есть.) К сожалению, вид красного света Хаббла не такой резкий, как синий свет, поэтому свет звезд цефеид, который мы видим, смешивается с другими звездами в его поле зрения. Мы можем вычислить среднее количество смешивания. , Статистически, точно так же, как врач рассчитывает ваш вес, вычитая средний вес одежды из показаний весов, но это вносит путаницу в измерения. Одежда некоторых людей тяжелее других.

«Однако острое инфракрасное зрение является одной из сверхспособностей космического телескопа Джеймса Уэбба. Благодаря его большому зеркалу и чувствительной оптике он может легко отделять свет цефеид от близлежащих звезд с небольшим смешиванием. В первый год работы Уэбба с нашей наблюдательной программой в В 1685 году мы собрали наблюдения за цефеидами, обнаруженными Хабблом, в два этапа по так называемой лестнице космических расстояний.Первый шаг включает наблюдение цефеид в галактике с известным геометрическим расстоянием, которое позволяет нам откалибровать истинную светимость цефеид. программе эта галактика — NGC 4258. Второй шаг — наблюдение цефеид в родительских галактиках недавних сверхновых типа Ia. Объединение первых двух шагов передает информацию о расстоянии до сверхновых для калибровки их истинной яркости. Третий шаг — наблюдайте за теми далекими сверхновыми, где расширение Вселенной очевидно и может быть измерено путем сравнения расстояний, полученных на основе яркости и красного смещения родительских галактик сверхновых. Эта последовательность шагов известна как лестница расстояний.

«Недавно мы получили первые измерения Уэбба на этапах 1 и 2, что позволило нам завершить лестницу расстояний и сравнить их с предыдущими измерениями с помощью Хаббла (см. рисунок). Измерения Уэбба значительно снизили шум в измерениях цефеид благодаря точности обсерватории на близких расстояниях. -инфракрасные длины волн. О таком улучшении мечтают астрономы! В ходе первых двух этапов мы наблюдали более 320 звезд-цефеид. Мы подтвердили, что предыдущие измерения с помощью космического телескопа Хаббл были точными, хотя и более шумными. Мы также наблюдали четыре хозяина сверхновых, используя Уэбб, мы видели аналогичный результат для всей выборки.

Сравните взаимосвязь между периодом цефеид и светимостью, используемой для измерения расстояний. Красные точки — от «Уэбба» НАСА, а серые точки — от «Хаббла» НАСА. Верхняя панель посвящена NGC 5584, хозяйке сверхновой типа Ia, на вставке показаны штампы изображений одной и той же цефеиды, видимой каждым телескопом. Нижняя панель относится к NGC 4258, галактике с известным геометрическим расстоянием, а на вставке показана разница в коэффициентах расстояния между NGC 5584 и NGC 4258, измеренная с помощью каждого телескопа. Оба телескопа находятся в превосходном согласии. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, А. Рисс (STScI) и Г. Ананд(STScI)

Непрекращающаяся загадка напряжения Хаббла

«Результаты еще не объяснили, почему Вселенная расширяется так быстро! Мы можем гордость Скорость расширения Вселенной путем наблюдения за ее зарождающимся изображением Космический микроволновый фон, затем мы используем нашу лучшую модель того, как она растет с течением времени, чтобы сказать нам, насколько быстро Вселенная должна расширяться сегодня. Тот факт, что текущие показатели скорости расширения значительно превосходят ожидания, является десятилетней проблемой, называемой «дрожанием Хаббла». Самая захватывающая возможность заключается в том, что стресс — это свидетельство чего-то, что мы упускаем из виду в нашем понимании Вселенной.

«Это может указывать на присутствие экзотической темной энергии, экзотической темной материи, пересмотр нашего понимания гравитации или существование уникальной частицы или поля. Самое простое объяснение состоит в том, что многочисленные ошибки измерений действуют в одном и том же направлении (астрономы исключил одну ошибку, используя независимые шаги), Вот почему так важно повторить измерения более точно. Учитывая подтверждение Уэббом измерений Хаббла, измерения Уэбба предоставляют убедительное доказательство того, что систематические ошибки в фотометрии цефеид Хаббла не играют существенной роли в фотометрии Хаббла. В результате, наиболее вероятный интерес оказывается на столе, и напряженная тайна углубляется.

В этом посте представлены данные из A бумага Что было принято раньше Астрофизический журнал.

Ссылка: «Больше никакой скученности: точность постоянной Хаббла проверена наблюдениями цефеидных объектов с высоким разрешением с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба», Адам Дж. Рис, Гагандип С. Ананд, Вэньлун Юань, Стефано Казертано, Эндрю Дельфин, Лукас М. Макри, Луиза Провал, Дэн Сколник, Маршалл Перрин и Ричард И. Андерсон приняли решение. Астрофизический журнал.
arXiv:2307.15806

Автор: Адам Райс — заслуженный профессор Bloomberg в Университете Джонса Хопкинса, профессор космических исследований Томаса Г. Барбера в Школе искусств и наук имени Кригера, выдающийся астроном Научного института космического телескопа и лауреат Нобелевской премии 2011 года. Премия по физике.