Отклонението на звездната светлина измерва разширяването на Вселената (видео)

Това е един от големите дебати в космологията: Вселената се разширява, но колко бързо?

Два налични метода за измерване дават различни резултати. Но има и трети, независим метод за измерване, основан на отклонението на светлината от галактиките, подобрен от Дейвид Харви (David Harvey), физик от Университета в Лайден.

От близо век знаем, че Вселената се разширява. Астрономите са установили, че светлината от далечните галактики има по-малка дължина на вълната от галактиките, които са по-близо. Техните светлинни вълни изглеждат разтегнати или червено отместени, което означава, че тези галактики се отдалечават от нас.

Астрономите знаят колко далеч са тези галактики, благодарение на тяхната яркост. Някои свръхнови, експлодиращи звезди, имат фиксирана яркост, която може да се прогнозира добре. Това дава възможност да се изчисли разстоянието до тях - колкото по-далеч е галактиката, толкова по-малко ярка изглежда свръхновата. 

Това разстояние може отново да бъде свързано с червеното отместване или скоростта, която дава мярка за разширяване на Вселената, константата на Хъбъл:  73 km/s/Mpc. Това означава, че за всяко разстояние от 1 мегапарсек (един парсек е 3,3 светлинни години) скоростта, с която една галактика се отдалечава от нас, е 73 км/сек.

Гравитационни лещи

Все по-точните измервания на космическия микровълнов фон, остатък от светлината в най-ранната Вселена, дават различна константа на Хъбъл - около 67 километра в секунда на мегапарсек.

Как е възможно това? Откъде идва тази разлика? И би ли могла и тази разлика да ни каже нещо ново за Вселената и физиката?

„Ето защо се появи третото измерване, независимо от другите две: гравитационните лещи“, коментира физикът Дейвид Харви.

За този метод Харви публикува статия в списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Айнщайн

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн прогнозира, че всяка концентрация на маса, като галактика, може да отклонява светлината подобно на леща. Когато такава галактика е точно пред ярък източник на светлина, светлината се огъва около нея, така че достига Земята по различни пътища. Това дава две, а понякога дори четири изображения на един и същ източник на светлина. 

През 1964 г. норвежкият астрофизик Сюр Рефсдал (Sjur Refsdal) получава прозрението, че ако галактиката, която служи за леща, не е точно центрирана, единият от тези пътища ще е по-дълъг от другия. Това означава също, че на светлината ще й трябва повече време да измине това разстояние. Така че, ако има промяна в яркостта на източника на светлина, например квазар, това излъчване ще бъде видимо по-рано в едно от изображенията, отколкото в друго. Разликата във времето може да бъде дни, седмици и дори месеци.

Рефсдал показа, че разликата във времето може да се използва от астрономите за изчисляване на разстоянията до източника. Когато се комбинира с червеното отместване на източника, това дава трето измерване на константата на Хъбъл, независимо от другите две.

_{Сравнението между разстоянието и червеното отместване/скорост определя константата на Хъбъл. Кредит: David Harvey/Universiteit van Leiden}

HoliCOW

Изследователската колаборация HoliCOW прави измервания на шест такива лещи за по-дълъг период от време и стигат до стойност на константата на Хъбъл от около 73, която е близка до измерванията с помощта на свръхнови. Но има усложнения: масата на галактиката на лещата също влияе на разликата във времето, в зависимост от точното разпределение на масата.

„Трябва да се моделирате това разпределение, но остават още много неизвестни фактори“, обяснява Дейвид Харви. Тези несигурности ограничават точността на тази техника.

Това трябва да се промени с пускането на новия телескоп в Чили през 2021 г., който ще картографира цялото звездно небе на всеки няколко нощи. Очаква се тази обсерватория, наречена "Вера Рубин", да открие хиляди двойни квазари и заедно с това възможността за допълнително уточняване на константата на Хъбъл.

Хиляди гравитационни лещи

"Проблемът е, че моделирането на всички тези лещи от различни галактики е невъзможно с наличната изчислителна мощност", пояснява Харви. Затова Харви разработва метод за изчисляване на средния ефект от разпределенията на масите на хиляди гравитационни лещи.

"По този начин отделните детайли на гравитационните лещи не са толкова важни и не е нужно да бъдат симулирани поотделно. Всъщност моделираме цялата популация от гравитационни лещи“, обяснява Харви.

"В статията показвам, че s този подход грешките в константата на Хъбъл е сведена под прага от 2 процента, ако се вземат данните от хиляди галактики."

Този марж на грешка ще позволи смислено сравнение между различните константи на Хъбъл и дори може да помогне да се разбере разликата.

„И ако искате да слезете под тези 2 процента, трябва да подобрите модела още повече с по-добри симулации“, коментира Харви, „очаквам, че това е възможно“.

Справка: David Harvey, ‘A 4 per cent measurement of H0 using the cumulative distribution of strong lensing time delays in doubly imaged quasars’, MNRAS 498, 2871–2886 (2020) doi:10.1093/mnras/staa2522 

Източник: Gravitational Lenses measure Universe Expansion, Universiteit van Leiden

Още по темата

28/07/2020

Космос

Нов метод уточни възрастта на Вселената до 12,6 милиарда години

08/06/2020

Космос

Новите тестове показват постоянна тъмна енергия и плоска вселена

17/05/2020

Космос

Колко тежи Вселената?

12/03/2020

Космос

Тайната на разширяването на Вселената е разкрита