Телескоп «Роман» стартует в субботу — миллиард галактик и загадка тёмной энергии

Космический телескоп «Роман» стартует в субботу прямиком в центр самой большой открытой измерительной проблемы космологии: два независимых способа измерения скорости расширения Вселенной расходятся на 8 процентов. Измерьте реликтовое излучение — свет, пришедший к нам из эпохи спустя 380 000 лет после Большого взрыва, — и скорость расширения составит около 67 километров в секунду на мегапарсек. Измерьте цефеиды и сверхновые типа Ia в ближней Вселенной — и получите примерно 73. Разрыв между ними составляет от 4 до 6 стандартных отклонений. В физике это не погрешность округления. Это сигнал о том, что в стандартной модели что-то не так.

Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, который стартует в 7:26 утра по восточному времени с мыса Канаверал на ракете SpaceX Falcon Heavy, — самый мощный инструмент из когда-либо созданных, чтобы выяснить, что именно. С зеркалом диаметром 2,4 метра — таким же, как у «Хаббла», — и 300-мегапиксельной камерой ближнего инфракрасного диапазона, которая видит участок неба в 200 раз шире поля зрения «Хаббла», «Роман» способен строить крупномасштабные карты распределения галактик, которых требует нынешнее напряжение.

Доказательства, которые сломали стандартную модель

Тёмная энергия была идентифицирована в 1998 году, когда две независимые группы, измерявшие расстояния и скорости удаления сверхновых типа Ia, обнаружили, что далёкие галактики удаляются быстрее, чем допускало бы замедление расширения под действием гравитации. Это открытие принесло Нобелевскую премию 2011 года и ввело в стандартную модель космологии член — космологическую постоянную Λ. Λ утверждает, что тёмная энергия постоянна как по плотности, так и по характеру — фиксированное свойство самого пространства.

Рекомендуем прочитатьJWST обнаружил в древних галактиках вчетверо больше массы, скрытой в малых звёздах

Два недавних открытия усложнили эту картину. Спектроскопический инструмент для изучения тёмной энергии (DESI) опубликовал результаты, показывающие, что барионные акустические осцилляции — периодические структуры плотности, застывшие в космической паутине с эпохи 380 000 лет после Большого взрыва, — лучше соответствуют данным, если сила тёмной энергии менялась со временем. Это открытие не доказывает изменчивость; это намёк, и статистическая значимость пока не окончательна. Но это самый серьёзный эмпирический вызов Λ со времён Нобелевской премии.

Хаббловское напряжение добавляет вторую точку давления. Если стандартная модель верна, то и измерения ранней Вселенной, и локальные измерения должны сходиться к одному и тому же значению скорости расширения. Они не сходятся. Самый свежий анализ с использованием цефеид, откалиброванных по телескопу «Джеймс Уэбб», подтверждает локальное значение около 73 км/с/Мпк. Значение, полученное из реликтового излучения, остаётся около 67. Расхождение не уменьшилось с новыми данными — оно выросло.

Что будет измерять «Роман» и как

«Роман» атакует проблему тёмной энергии по трём независимым каналам.

Первый — сверхновые типа Ia, которые служат стандартизируемыми маркерами расстояний: каждая из них достигает предсказуемой пиковой яркости, которая показывает, как далеко она находится. Сравнение расстояния с красным смещением — тем, насколько свет галактики растянут расширением Вселенной, — даёт скорость расширения в данную космическую эпоху. Ожидается, что «Роман» будет открывать тысячи сверхновых в год в гораздо более широком диапазоне красных смещений, чем наземные обзоры, составляя карту истории ускорения Вселенной с точностью, недоступной нынешним инструментам.

Второй канал — барионные акустические осцилляции. Эти звуковые волны ранней Вселенной оставили характерный масштаб, запечатлённый в том, как группируются галактики, — статистическое предпочтение для пар галактик, разделённых примерно 490 миллионами световых лет. Этот масштаб действует как «стандартная линейка»: измерьте, насколько большим он выглядит при разных красных смещениях, и вы сможете восстановить историю расширения Вселенной в каждую космическую эпоху. Широкопольная съёмка «Романа» позволит нанести на карту миллионы галактик, обеспечив статистическую мощь, недоступную нынешним обзорам.

Третий — слабое гравитационное линзирование: незначительное искажение форм фоновых галактик массой переднего плана. Линзирование показывает, как материя скучивалась со временем, что чувствительно как к плотности тёмной материи, так и к поведению тёмной энергии. В сочетании с данными по сверхновым и барионным акустическим осцилляциям линзирование даёт перекрёстную проверку, которая может выявить, является ли расхождение в истории расширения реальным или инструментальным.

По сравнению с тем, что было раньше

Инфракрасная камера «Хаббла» покрывает около 10 квадратных угловых минут за экспозицию. «Роман» покрывает около 0,28 квадратного градуса — примерно в 100 раз больше площади при сравнимом разрешении и глубине. Его широкопольный инструмент будет видеть участки неба, на обзор которых «Хабблу» потребовались бы годы, за несколько недель. «Джеймс Уэбб» предлагает исключительную глубину, но поле зрения у него такое же, как у «Хаббла»; «Уэбб» — это микроскоп, «Роман» — широкоугольный объектив. Европейский «Евклид», запущенный в 2023 году и уже возвращающий данные, покрывает более широкое поле, чем «Роман», но с более низким пространственным разрешением и глубиной; ожидается, что обе миссии будут дополнять друг друга.

Разница в масштабе — главный аргумент миссии. Чтобы измерить свойства тёмной энергии с точностью, необходимой для отличия истинной космологической постоянной от эволюционирующей, требуются статистические выборки из миллионов объектов. Хаббловское напряжение нельзя разрешить малыми обзорами — для этого нужна перепись.

Чего «Роман» не решит

Измерения «Романа» существенно ужесточат ограничения на тёмную энергию, но не разрешат всех вопросов, которые с ней сейчас связаны. Инструмент не может напрямую обнаружить тёмную энергию — он измеряет её эффекты на наблюдаемых величинах, и эти измерения несут собственные систематические погрешности. Калибровка сверхновых типа Ia, например, зависит от измерений расстояний по цефеидам, которые, в свою очередь, зависят от того, как свойства пульсаций этих звёзд зависят от их химического окружения. Именно в этой калибровочной цепочке сейчас и находится хаббловское напряжение.

Если данные «Романа» сузят разрыв H0 — приблизив локальные измерения к измерениям ранней Вселенной, — это будет означать, что напряжение возникло из-за неучтённой систематической ошибки в более ранних измерениях. Если разрыв сохранится или расширится после улучшенной калибровки «Романа», это станет веским доказательством того, что стандартная модель действительно неполна. Такой исход был бы более значимым, но сам по себе он не назвал бы, что именно не так, — только подтвердил бы, что что-то не так.

Джейсон Роудс (Jason Rhodes), космолог из Лаборатории реактивного движения НАСА, участвующий в миссии, описал текущую ситуацию прямо: «Мы начинаем видеть напряжения между измерениями ранней Вселенной и измерениями поздней Вселенной». «Роман» был специально спроектирован так, чтобы либо заставить эти напряжения исчезнуть, либо превратить их в подтверждённую аномалию.

Ввод в эксплуатацию займёт примерно 90–100 дней после запуска; научные операции, как ожидается, начнутся в начале 2027 года. Телескоп будет работать в точке Лагранжа L2, примерно в 1,5 миллиона километров от Земли, где уже находится «Джеймс Уэбб». Основная миссия рассчитана на пять лет.

Часто задаваемые вопросы о телескопе «Роман» и тёмной энергии

Что такое тёмная энергия, если точно?
Тёмная энергия — это название, данное неизвестной причине ускоряющегося расширения Вселенной. По текущим оценкам, на неё приходится около 68 процентов общего энергетического содержания Вселенной, но её физическая природа остаётся неизвестной. Простейшая модель рассматривает её как постоянную плотность энергии, присущую пустому пространству. Более сложные модели допускают её изменение со временем или отличие по характеру от космологической постоянной. «Роман» спроектирован для различения этих возможностей.

Что такое хаббловское напряжение?
Постоянная Хаббла (H0) измеряет, насколько быстро Вселенная расширяется в настоящее время. Две широкие категории измерений — одна, использующая реликтовое излучение в качестве отправной точки, и другая, использующая ближние стандартные свечи, такие как цефеиды и сверхновые, — последовательно дают разные значения: около 67 и 73 км/с/Мпк соответственно. Расхождение статистически значимо настолько, что его правдоподобно не объяснить случайностью, но его причина не установлена.

Чем «Роман» отличается от космического телескопа «Джеймс Уэбб»?
«Уэбб» оптимизирован для глубоких узкопольных наблюдений отдельных объектов с исключительной чувствительностью. У «Романа» такой же размер зеркала, как у «Хаббла», но поле зрения в 100–200 раз больше; он жертвует глубиной ради широты охвата. Два телескопа спроектированы для совместной работы: «Роман» находит и проводит обзоры в масштабе, а «Уэбб» детально изучает конкретные цели.

Почему тёмная энергия важна не только для космологии?
Тёмная энергия определяет долгосрочную судьбу Вселенной. Если она действительно постоянна, Вселенная будет продолжать ускоряться бесконечно, в конечном счёте разделяя галактики за пределы досягаемости света друг друга. Если тёмная энергия меняется со временем — или обращается вспять, — траектория меняется. Измерения «Романа» позволят определить, какой из этих сценариев физически правдоподобен.

Если хаббловское напряжение переживёт проверку «Романом», космологии понадобится новая модель — способная объяснить, почему самые ранние и самые поздние признаки расширения Вселенной больше не согласуются друг с другом.

Теги: nasa, cosmology, dark energy, dark matter, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

Похожее

Разрыв в 1775 °C между рассветом и закатом одной экзопланеты — телескоп Джеймса Уэбба впервые объяснил почему

DESI не искал изъянов в стандартной модели. Его карты их всё равно нашли.

S301 обращается вокруг Стрельца А* на 8% скорости света и измерит его вращение

Юпитер разгоняет электроны почти до скорости света — так же рождаются космические лучи

Ветры квазара H1821+643 в 100 раз мощнее, чем предсказывали модели

Красные пятна JWST — чёрные дыры, растущие в 10 раз быстрее допустимого