Розширення всесвіту та "напруга Габбла"
Всесвіт розширюється. Як швидко це відбувається, описується так званою сталою Хаббла-Леметра. Але існує суперечка щодо того, наскільки велика насправді ця константа: різні методи вимірювання дають суперечливі значення.
Ця суперечка отримала назву «напруга Габбла», яка становить загадку для космологів. Дослідники з університетів Бонна та Сент-Ендрюса зараз пропонують нове рішення: використовуючи альтернативну теорію гравітації, розбіжність у виміряних значеннях можна легко пояснити — напруга Габбла зникає. Дослідження опубліковано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ( MNRAS ).
Розширення Всесвіту призводить до того, що галактики віддаляються одна від одної. Швидкість, з якою вони це роблять, пропорційна відстані між ними. Наприклад, якщо галактика A вдвічі далі від Землі, ніж галактика B, її відстань від нас також зростає вдвічі швидше. Американський астроном Едвін Габбл одним із перших визнав цей зв’язок.
Чумацький Шлях (зелений) лежить в області з невеликим вмістом речовини.
Галактики в бульбашці рухаються в напрямку вищої густини речовини (червоні стрілки).
Таким чином, здається, що Всесвіт розширюється швидше всередині бульбашки.
Стандартна модель космології
Тому, щоб розрахувати, як швидко дві галактики віддаляються одна від одної, необхідно знати, на якій відстані вони знаходяться. Однак для цього також потрібна константа, на яку потрібно помножити цю відстань. Це так звана постійна Габбла-Леметра, фундаментальний параметр у космології. Його значення можна визначити, наприклад, дивлячись на дуже віддалені регіони Всесвіту. Це дає швидкість майже 244 000 кілометрів на годину на відстань у мегапарсек (один мегапарсек дорівнює трохи понад три мільйони світлових років).
«Але ви також можете поглянути на небесні тіла, які знаходяться набагато ближче до нас — так звані наднові категорії 1а, які є певним типом зірок, що вибухають», — пояснює професор, д-р Павел Крупа з Інституту радіаційної та ядерної фізики імені Гельмгольца на Боннський університет.
Можна дуже точно визначити відстань наднової 1а до Землі. Ми також знаємо, що сяючі предмети змінюють колір, коли вони віддаляються від нас, і чим швидше вони рухаються, тим сильніша зміна. Це схоже на швидку допомогу, чия сирена звучить глибше, коли вона віддаляється від нас.
Якщо ми тепер обчислимо швидкість наднових зірок 1a на основі їхнього зміщення кольору та співвіднесемо це з їхньою відстанню, ми отримаємо інше значення постійної Габбла-Леметра, а саме трохи менше ніж 264 000 кілометрів на годину на мегапарсекову відстань. «Тому Всесвіт, здається, розширюється швидше поблизу нас, тобто на відстань приблизно в три мільярди світлових років, ніж у цілому», — каже Крупа. «А це насправді не повинно бути».
Однак нещодавно було зроблено спостереження, яке могло б це пояснити. Згідно з цим, Земля розташована в області космосу, де є відносно мало матерії, що можна порівняти з бульбашкою повітря в торті. Щільність речовини вища навколо бульбашки. Гравітаційні сили виходять із цієї навколишньої матерії, яка тягне галактики в бульбашці до країв порожнини. «Ось чому вони віддаляються від нас швидше, ніж можна було очікувати», — пояснює доктор Індраніл Банік з Університету Сент-Ендрюс. Таким чином, відхилення можна пояснити просто місцевою «недостатньою щільністю».
Фактично, інша дослідницька група нещодавно виміряла середню швидкість великої кількості галактик, які знаходяться на відстані 600 мільйонів світлових років від нас. «Було виявлено, що ці галактики віддаляються від нас у чотири рази швидше, ніж дозволяє стандартна модель космології», — пояснює Сергій Мазуренко з дослідницької групи Крупа, який брав участь у поточному дослідженні.
Пузир у тісті Всесвіту
Це пояснюється тим, що стандартна модель не передбачає такої недостатньої щільності або «бульбашок» — вони насправді не повинні існувати. Натомість речовина має бути рівномірно розподілена в просторі. Однак, якби це було так, було б важко пояснити, які сили рухають галактики до їхньої високої швидкості.
«Стандартна модель базується на теорії природи гравітації, яку висунув Альберт Ейнштейн», — каже Крупа. «Однак гравітаційні сили можуть поводитися інакше, ніж очікував Ейнштейн». Робочі групи з університетів Бонна та Сент-Ендрюса використали модифіковану теорію гравітації в комп’ютерному моделюванні.
Цю «модифіковану динаміку Ньютона» (абревіатура: MOND) запропонував чотири десятиліття тому ізраїльський фізик, професор доктор Мордехай Мілгром. Сьогодні це все ще вважається аутсайдерською теорією. «Проте в наших розрахунках MOND точно передбачає існування таких бульбашок», — каже Крупа.
Якщо припустити, що гравітація справді поводиться відповідно до припущень Мілгрома, напруга Габбла зникне: фактично буде лише одна константа для розширення Всесвіту, а спостережувані відхилення будуть спричинені нерівномірностями у розподілі матерії.
Закон Габбла-Леметра та вік Всесвіту
Закон Габбла-Леметра - закон, який визначає наскільки галактики швидко від нас розбігаються, що дорівнює:
V - швидкість розбігання галактик; d - відсань до галактики; H0 - стала Габбла.
Даний метод - є основним методом визначення відстанею до далеких позаземних об'єктів. За допомогою даного метода і визначили вік Всесвіту.
За останніми дослідженнями стала Габбла становить 67,77+-1,3 (км/с)/МПк.
Якщо вважати, що швидкість розширення Всесвіту залишається постійною, величина, обернена до параметра Габбла, визначає час від моменту Великого Вибуху, або вік Всесвіту. Його також називають часом Габбла.
Якщо, поділити відстань між галактиками на швидкість розбігання галактик ми отрмаємо значення, яке вказує як давно дані галактики були в одній точці, тобто в момент Великого Вибуху.
Отже отримані дані вказують на вік Всесвіту і це значення чисельно дорівнює приблизно 13,8 млрд світлових років.