Складки, которые массивные тела оставляют в ткани пространства—времени, позволили независимо определить возраст Вселенной. Помогли гравитационные линзы и метод, предложенный 45 лет назад норвежцем Шуром Рефсдалем.

В 1922 году петроградский математик Александр Фридман доказал: из уравнений Эйнштейна следует, что наш мир не может находиться в равновесии. Он должен расширяться или сжиматься в целом, а какова его истинная судьба, зависит от средней плотности массы в нем и начальных условий ее движения.

Поначалу идея нестационарной Вселенной казалась нелепой. Однако к концу 20?х годов сомнений не осталось. Американские астрономы под руководством Эдвина Хаббла показали, что далекие галактики убегают от Земли, и чем дальше они находятся, тем быстрее бег.

Вселенная расширяется, как и предсказывали Фридман и его бельгийский коллега Жорж Леметр, который в 1927 году независимо пришел к тем же выводам. Следовательно, когда-то давно она была маленькой, и если смотреть в прошлое, то мы неминуемо (неминуемость в 1960?х годах доказали британцы Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз) упремся в момент ее рождения – так называемый Большой взрыв, в описании которого физика пока людям отказывает.

Самый главный параметр космологической теории – это постоянная Хаббла, H0 («аш-ноль»). Она показывает, как быстро расширяется наш мир, насколько дальние галактики обгоняют ближние в своем разбегании друг от друга, какова средняя плотность мира в граммах на кубический сантиметр, и, главное – возраст Вселенной, или когда произошел Большой взрыв.

А вот этот параметр известен плохо. Чтобы выяснить, насколько дальние галактики обгоняют ближние, надо знать расстояния до них и их скорости. Скорости измеряются с большой точностью при помощи доплеровского сдвига линий в спектрах . А вот расстояния измерить сложнее. Можно сказать, насколько процентов одна галактика дальше другой. А вот сколько это в сантиметрах или даже в мегапарсеках – это уже проблема. Относительные расстояния измеряются легко – это сводится к измерению углов, простых или телесных.


В 1964 году норвежский астроном Шур Рефсдаль придумал оригинальный метод абсолютных измерений. Он предположил, что для оценки постоянной Хаббла надо измерить задержку распространения светового сигнала от какого-то далекого объекта по двум (или нескольким) траекториям, относительные длины которых мы знаем.

Свет не всегда идет по прямой. Массивные тела – например, галактики – могут своим притяжением искривлять пространство—время, создавая в нем своего рода «ложбинки», или, раз уж речь идет о возрасте мира, «морщинки». И как поток воды по неровному склону сбегает неровными ручейками, так и световые лучи обегают одни складки пространственно-временной ткани и стекают в другие. В итоге получается, что галактики искривляют и даже собирают световые лучи – как линзы, так что объекты за гравитационными линзами мы видим не в том положении и не в той яркости, в которых смогли бы наблюдать их при беспрепятственном распространении световых лучей между нами.

Если гравитационная линза достаточно сильна, то изображение вообще может удвоиться, утроиться и так далее – это называется «сильным гравитационным линзированием». Положение и яркость отдельных изображений одного и того же источника определяются взаимной конфигурацией источника, линзы и наблюдателя, а также «силой» линзы, так что из наблюдений эту конфигурацию можно восстановить. Чем и занимаются астрономыв вот уже 30 лет, с момента обнаружения первой гравитационной линзы в 1979 году.

Однако взаимной конфигурации мало. Представьте, что вам дали карту какой-то неведомой местности, но забыли указать масштаб. Вы можете выяснить, что одна дорога из пункта «А» в точку «Б» в два раза длиннее другой, а третья – на 5% короче первой. Чтобы вычислить их длину в километрах, можно проделать вот какой трюк. Пусть из точки «А» в точку «Б» одновременно стартуют несколько автомобилей и будут двигаться с одной скоростью по трем разным дорогам. Даже если у водителей нет часов, по задержке прибытия в пункт «Б» первого водителя относительно третьего можно выяснить, сколько составляют те самые 5% в минутах, а если помножить на скорость – то и в километрах.

То же самое Рефсдаль предложил делать с далекими галактиками, изображения которых гравитационные линзы (близкие галактики) размножили. Положим, в далекой галактике вспыхивает сверхновая. Мы не знаем, в какой момент она взорвалась, но сможем сказать, на сколько часов, дней или месяцев световые сигналы, пришедшие к нам по разным траекториям, отстали друг от друга. Умножаем эту задержку на скорость света – и получаем истинную, в сантиметрах (или мегапарсеках) разницу длины световых лучей. А поскольку относительная разница нам известна из наблюдений, отсюда можно вычислить и истинное расстояние до объекта. Подели на него наблюдаемую скорость его удаления – и готова постоянная Хаббла H0, а с ней – возраст Вселенной и уйма других параметров, очень важных для современной космологии.


Хотя идее Рефсдаля почти полвека, а подходящих гравитационных линз известно несколько десятков, до сих пор измерения константы Хаббла этим методом страдали существенной неточностью. Проблема в том, что помимо геометрической задержки сигналов есть еще одна, так называемая потенциальная. В окрестностях линзы время течет чуть медленнее. И тем медленнее, чем ближе к линзе мы подбираемся. «Автомобили», следующие по разным дорогам, движутся с чуть отличающимися скоростями. А на «карте», которую нам дали, не указано, где стоит знак «80», а где – «60».

В-основном из-за этой потенциальной задержки, которая зависит от распределения массы в линзе, метод Рефсдаля до сих пор и не давал надежных результатов. Чтобы получить их, Шерри Сую (S. H. Suyu) из Астрономического института имени Аргеландера в Бонне и ее германские, американские и голландские коллеги провели детальнейший анализ одной-единственной гравитационной линзы B1608+656, скомбинировав данные Космической обсерватории имени Хаббла и нескольких наземных радиотелескопов.

Пятнышки A,B,C,D — это на самом деле одна галактика. Ее изображение размножила гравитационная линза.

Иллюстрация гравитационной линзы — свет от далекой галактики отклоняется некоторым массивным объектом и в результате астрономы видят не одно изображение, а несколько. Белые стрелки показывают путь света, оранжевые — кажущееся направление на галактику.

Источник: Hubble Space Telescope

Это изображение — модель, показывающая распределение темной материи на небольшом участке неба, за которым велось наблюдение при помощи телескопа «Хаббл» в рамках программы COSMOS (напрямую с обсуждаемой здесь статьей она не связана). Ученым, которые рассчитывали траекторию световых лучей вблизи гравитационной линзы B1608+656, пришлось отдельно учесть и подобные образования.

Источник: NASA

B1608+656 находится в северном созвездии Дракона и была открыта еще 15 лет назад. Эта система представляет собой далекую галактику с активным, переменным ядром примерно в девяти миллиардах световых лет от нас. На пути света, в шести миллиардах световых лет от нас, находится другая галактика (точнее – пара сливающихся галактик), и гравитация этой «линзы» превращает далекий объект в четверку отдельных изображений. Изменения яркости в одном из этих изображений всегда точно дублируются переменами в трех других, но с задержками – в 32, 36 и 77 суток.

Группа американских, датских и немецких исследователей сопоставила свет, проходящий через разные места линзы, смогла воссоздать поперечный профиль B1608+656, вычислить расстояние до галактики и, более того, определить так называемую постоянную Хаббла, через которую рассчитывается в том числе и возраст Вселенной.

Свет через линзу идет четырьмя разными путями (так как вместо одной галактики мы видим четыре размытых пятна). Скорость света при этом постоянна, а разница во времени между приходом лучей известна: значит, можно вычислить и расстояние, длину каждого из четырех лучей.

А зная еще и форму линзы, можно для одной галактики получить не одну оценку расстояния, а четыре разных. Что резко повышает точность измерения: по оценкам исследователей, их результат примерно в два раза точнее предыдущих оценок. Значение постоянной Хаббла, полученное астрофизиками, таково, что если галактика удалена от нас на один мегапарсек, то скорость, с которой она будет удалятся, составит 70,6 км/с. Плюс-минус 3,1 км/с, погрешность в несколько процентов для космологических исследований считается очень низкой из-за чрезвычайной сложности измерений.

Используя данные «Хаббла» ученые смогли построить точнейшую модель распределения массы в галактике-линзе, а также прикинуть влияние множества других систем, которые могли оказаться недалеко от пути световых лучей и дополнительно искривить их. После сложных математических манипуляций с данными ученые смогли вычислить скорость расширения Вселенной – а с ней и возраст нашего мира. Результаты исследований опубликованы в мартовском выпуске Astrophysical Journal.

Вселенная в целом расширяется с ускорением и в буквальном смысле слова «в никуда». Иными словами, галактики не просто разлетаются в разные стороны в пустом пространстве, а раздвигается само пространство: наиболее часто этот процесс ученые иллюстрируют примером воздушного шарика.


Калифорнийский Институт физики частиц и космологии имени Кавли,  где работает часть авторов исследования, выпустил пресс-релиз согласно которого возраст Вселенной теперь зафиксирован с точностью чуть менее одного процента – 13,75 миллиарда лет плюс/минус 0,17 миллиарда. Это действительно небывалая точность, которой до сих пор не удавалось достичь ни одному эксперименту – ни по сверхновым, ни по наблюдениям реликтового излучения, ни по исследованиям барионных осцилляций – отпечатков, которые раннее прошлое Вселенной оставило в распределении вещества.

Возраст 13,75 миллиарда лет соответствует значению постоянной Хаббла H0=70,6 км/с/Мпк, которое получается, если предположить для других космологических параметров (плотности и давления вещества и темной энергии) стандартные значения, полученные из других экспериментов. И даже при таких предположениях авторы приписывают H0 ошибку в 4%, а не в 1,5%, которые получаются при наложении некоторых дополнительных ограничений. Без таких дополнительных предположений ошибка в H0 подскакивает до 7%, и возраст Вселенной уместней писать в виде (14 +/— 1) миллиард лет.

Но именно ради независимого определения постоянной Хаббла и возраста нашего мира Шур Рефсдаль и придумывал свой метод – не зависящий от разнообразных деталей космологической теории, основанный на простой геометрии и чуть-чуть – на теории гравитационных линз. Так что возраст Вселенной германо-американо-голландской группе удалось измерить с точностью чуть лучшей, чем 10%. До уровня других космологических параметров эта точность не дотягивает.

Тем не менее, авторам удалось превратить все имеющиеся неточности в случайные ошибки, а значит, со временем и ростом числа наблюдаемых линз точность измерений H0 будет расти. Кстати, в одном из ближайших номеров того же Astrophysical Journal появится еще одна работа, авторы которой оценили возраст мира по уже 18 подобным системам, пусть и исследованным хуже, чем B1608+656. Если судить по этим «морщинкам», Вселенной от 13,5 до 15,5 миллиарда лет. Более точные оценки, без сомнения, последуют.

Новые оценки скорости расширения Вселенной, конечно, не единственные. Наряду с наблюдением за галактиками (как напрямую, так и через гравитационные линзы) у ученых есть и другие методы — например, анализ реликтового излучения, электромагнитного излучения, возникшего при Большом Взрыве. Или наблюдения за вспышками далеких сверхновых — причем последний метод недавно был пересмотрен в работе российского ученого Марата Гильфанова и его немецкого аспиранта Акоша Богдана.

Для регистрации реликтового излучения весной 2009 года был запущен спутник «Планк». Вместе с ним в точку, удаленную от Земли на полтора миллиона километров, отправился и телескоп «Гершель», крупнейший инфракрасный инструмент.

Tags:

Эта статья была опубликована: Среда, марта 3, 2010 в 17:21 в категории Космология. Вы можете читать любые ответы через RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.

Ваш комментарий

Имя (*)
email (*)
вебсайт
Комментарий
Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha