Кризис космологии: новый анализ подтверждает «напряжение Хаббла» — физика неполна?

В космологии существует центральный кризис: разные методы измерения дают разные значения скорости расширения Вселенной. Теперь всесторонний анализ, объединяющий десятилетия независимых измерений, показывает, что это расхождение не связано с ошибками или неопределенностью; напротив, оно указывает на потенциальный путь к новой физике за пределами стандартной космологической модели.

Астрономы рассчитывают скорость расширения Вселенной, или постоянную Хаббла, двумя способами. Один метод использует измерения расстояния до космического микроволнового фона (CMB) — самого раннего света, распространившегося всего через 380 000 лет после Большого взрыва. Второй метод — изучение расширения локальной Вселенной с помощью наблюдений «стандартных свечей» — близлежащих звезд известной яркости, чей свет растягивается (или краснеет) по мере его достижения Земли.

Расчеты первым методом дают значение постоянной Хаббла около 67–68 километров в секунду на мегапарсек, в то время как второй метод дает значение примерно 73 километра в секунду на мегапарсек. (Один мегапарсек составляет около 3,26 миллиона световых лет.)

Хотя это кажется небольшим расхождением, оно значительно больше, чем можно объяснить статистической неопределенностью, что представляет собой озадачивающее противоречие, известное как «напряжение Хаббла». Поэтому был созван большой симпозиум астрономов, чтобы проголосовать за лучшие методы и данные для ограничения постоянной Хаббла и определения того, существует ли напряжение на самом деле.

В итоговой статье, опубликованной 10 апреля в журнале Astronomy & Astrophysics, авторы вывели наиболее точное значение постоянной Хаббла на сегодняшний день и обнаружили, что напряжение сохраняется, что предполагает неполноту нашей текущей космологической модели.

«Вот почему напряжение Хаббла так интересно», — рассказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Ричард Андерсон, астрофизик из Гёттингенского университета. «Сравнение значения [постоянной Хаббла] для поздней и ранней Вселенной проверяет фундаментальную физику на космологических масштабах и говорит нам, что чего-то не хватает».

Самый полный обзор расширяющейся локальной Вселенной

Предыдущие космологические расчеты опирались на создание космической лестницы расстояний. Ее ступенями служат все более удаленные небесные объекты, включая пульсирующие цефеиды в пределах Млечного Пути и более далекие сверхновые, расстояния до которых можно вычислить по разнице между их внутренней яркостью и тем, насколько яркими они нам кажутся после того, как их свет преодолел расширяющееся пространство.

Однако эти недавние коллективные усилия, начатые на прорывном семинаре Международного института космических наук в Берне (Швейцария) в марте 2025 года, расширили космическую лестницу расстояний во всестороннее исследование ближайшей Вселенной, названное «Локальная сеть расстояний» (Local Distance Network), достигнув высокой цели, которая еще десять лет назад считалась «потенциально недостижимой».

«Это не просто новое значение постоянной Хаббла», — объяснили исследователи в заявлении Национальной лаборатории оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab) Национального научного фонда. «Это созданная сообществом структура, которая объединяет десятилетия независимых измерений расстояний прозрачно и доступно».

Единая структура объединила десятилетия независимых исследований с использованием различных методов, которые могут пересекаться в наблюдениях, чтобы достичь «избыточности» — бесценной техники для уменьшения систематических ошибок и статистических аномалий.

Например, это позволило исследователям провести серию анализов «исключи меня»: исключив конкретную технику, такую как расчеты на основе цефеид, они обнаружили минимальное изменение в общих результатах их вновь установленной постоянной Хаббла.

Основы космической сети

Локальная сеть расстояний основана на «якорях» (anchors) — небесных объектах, чьи расстояния были определены геометрически с помощью таких методов, как параллакс — кажущееся изменение положения объекта, которое происходит при изменении перспективы. Доступ к космическим телескопам может быть ограничен, но вы можете воспроизвести параллакс сами, вытянув руку с пальцем и закрывая по очереди один глаз, а затем другой.

Соответственно, исследователи использовали несколько «якорных» точек локальной Вселенной, включая галактику NGC 4258, расположенную на расстоянии более 20 миллионов световых лет; Магеллановы Облака — пару карликовых галактик на расстоянии около 200 000 световых лет; и многочисленные переменные звезды в пределах Млечного Пути.

Затем они включили множество объектов с измеренными расстояниями, включая умирающие старые звезды-красные гиганты и «мегамазеры» — чрезвычайно яркие космические лазеры, генерируемые в аккреционных дисках сверхмассивных черных дыр.

Исследователи также включили более 7500 галактик, наблюдаемых такими инструментами, как космический телескоп «Хаббл» и спектроскопический прибор DESI, на расстоянии до более чем 1 миллиарда световых лет.

В результате Локальная сеть расстояний, разработанная в этом исследовании, представляет собой наиболее точное прямое измерение постоянной Хаббла в локальной Вселенной: 73,50 километра в секунду на мегапарсек с относительной неопределенностью 1,09%. Вывод? Напряжение Хаббла реально, оно соответствует ранее измеренным значениям и не является просто артефактом.

Тот факт, что это расхождение сохраняется, может означать, что измерения ранней Вселенной также нуждаются в подобной переоценке на более глубоком уровне.

«Одна интересная, относительно новая и, возможно, более естественная идея связана с первичными магнитными полями, которые могли бы изменить масштаб структуры, наблюдаемой в CMB (космическом микроволновом фоне)», — объяснил по электронной почте соавтор исследования Джон Блейксли, директор по исследованиям и научным услугам NOIRLab.

Что захватывает, это исследование дополнительно поддерживает идею о том, что для объяснения темной энергии и других сил, управляющих расширением и конечной судьбой Вселенной, необходима новая физика. И поскольку эта структура является модульной, предстоящие методы и данные от обсерваторий следующего поколения могут наконец разрешить напряжение Хаббла — но, опять же, именно этого космологи надеются уже более десяти лет.

Локальная сеть расстояний — это триумф коллективной науки. Вместо того чтобы спорить о том, чей метод лучше (цефеиды, красные гиганты или мегамазеры), исследователи сделали нечто неожиданное: они объединили ВСЕ методы, создав гигантский «средний» результат с системой перекрестной проверки. Если один метод дает сбой из-за локальной аномалии (например, скопления пыли), другие это компенсируют.

Почему же это усилие не разрешило кризис, а лишь подтвердило его? Потому что объединенная сеть уверенно указывает на 73,5. А измерения реликтового излучения (планковские данные) с той же уверенностью дают 67–68. Расхождение сохраняется, и оно теперь не случайное, а системное.

Значит, что-то не так либо с нашей моделью ранней Вселенной (LCDM), либо с тем, как мы измеряем локальные расстояния. Но Локальная сеть исключила ошибки в локальных измерениях. Остается либо признать, что на раннюю Вселенную влияла неизвестная физика (например, «темное излучение» или изменяемая масса нейтрино), либо смириться, что постоянная Хаббла просто меняется со временем — что противоречит модели, где она должна быть константой.

Самый интригующий вариант, упомянутый Блейксли — первичные магнитные поля. Если в первые мгновения после Большого взрыва существовали гигантские магнитные поля, они могли изменить акустические колебания в первичной плазме, сдвинув расчетную постоянную Хаббла. У этой теории пока мало сторонников, но она хотя бы предлагает механизм.

Теперь внимание переключается на обсерваторию имени Веры Рубин и космический телескоп «Роман». Они смогут наблюдать в тысячи раз больше сверхновых и галактик, чем «Хаббл». Если напряжение сохранится и там, это будет означать, что мы стоим на пороге новой физики. Возможно, в ближайшие годы космологам придется признать, что Вселенная расширяется неравномерно — быстрее сегодня, чем миллиард лет назад. А это, в свою очередь, потребует модификации общей теории относительности или существования экзотических полей.

Как выразился один из участников семинара в Берне: «Либо мы ошибаемся в чем-то элементарном, либо нас ждет Нобелевская премия». Напряжение Хаббла — это не баг, а фича. И, возможно, самая захватывающая в современной космологии.