лактики.
В 1990-х годах благодаря орлиному взору космического телескопа «Хаббл» группе под руководством Венди Фридман (в настоящее время работающей в Чикагском университете) удалось обнаружить цефеиды в спиральных галактиках, удаленных на сотни миллионов световых лет. Согласно опубликованным в 2001 году итоговым результатам «Ключевого проекта телескопа “Хаббл”» (Hubble Key Project), значение постоянной Хаббла составляет 72 км/с/Мпк, правда, с погрешностью около 10 %2. И все же это было огромным достижением: до запуска телескопа «Хаббл» в апреле 1990 года лучшие оценки H0 варьировались от 50 до 100 км/с/Мпк. К тому же полученные с помощью космического телескопа результаты позволили астрономам откалибровать другие индикаторы расстояния, которые можно использовать на больших удалениях – там, где отдельные цефеиды становятся неразличимы.
Одними из таких индикаторов расстояния являются сверхновые типа Ia, которые благодаря их четко определенной светимости могут считаться «стандартными свечами». Исследование этих взрывов (вспышек сверхновых) позволило установить, что вопреки устоявшимся представлениям расширение Вселенной со временем не замедляется, а ускоряется – несмотря на гравитационное притяжение всей материи во Вселенной. Как мы узнали из главы 16, это открытие теперь считается доказательством существования темной энергии, чья истинная природа окутана мраком тайны не меньше, чем природа темной материи.
Хотя в то время этого никто еще не осознавал, но открытие ускоренного расширения Вселенной, за которое Шмидт, Сол Перлмуттер и Адам Рисс в 2011 году были удостоены Нобелевской премии, стало причиной того самого кризиса в космологии, которому был посвящен берлинский симпозиум. И не из-за «дефективности» концепции темной энергии, а как раз наоборот – потому что эта концепция замечательно сработала – современная скорость расширения Вселенной оказалась существенно выше предсказанной космологами-теоретиками на основе так любимой ими ΛCDM-модели.
Конкордантная космологическая модель успешно объясняет наблюдаемые свойства реликтового излучения. Статистические свойства «горячих» и «холодных» пятен в распределении реликтового излучения воспроизводятся только в предположении, что 68,5 % плотности всей массы-энергии нашей Вселенной приходится на темную энергию, 26,6 %– на темную материю, и не более 4,9 % – на обычную барионную материю3. Значения этих космологических параметров теперь определены с очень высокой точностью, и из них следует, что современное значение постоянной Хаббла должно быть равно 67,4 км/с/Мпк с погрешностью менее 1 %. (В этих расчетах, конечно же, учитывается, что скорость расширения сначала уменьшалась из-за самогравитации Вселенной, а в настоящее время снова увеличивается после того, как несколько миллиардов лет назад влияние темной энергии стало сильнее гравитационного влияния материи.)
Однако эти результаты никак не вяжутся с последними «локальными» оценками H0, полученными на основе данных о цефеидах и сверхновых. Интервал ошибок опубликованной в 2001 году оценки, основанной на результатах «Ключевого проекта “Хаббла”» Венди Фридман, был довольно широким, и поэтому вначале казалось, что нет особых оснований для беспокойства. Но в последние 10 лет группа под руководством Адама Рисса смогла добиться гораздо более точной калибровки космологической шкалы расстояний, что позволило получить намного более точную оценку постоянной Хаббла. Результат, представленный Риссом на берлинском симпозиуме, – 73,5 км/с/Мпк с погрешностью всего 2,2 %. Как сказал Рисс: «Сама оценка не очень изменилась, а вот ошибка уменьшилась существенно».
Чтобы добиться столь малой ошибки, Рисс с коллегами с помощью нового метода и данных наблюдений на космическом телескопе определили с высокой точностью расстояния до пяти цефеид в нашей собственной Галактике – это был необходимый этап для точной калибровки закона Ливитт. После этого они исследовали цефеиды в галактиках, где также наблюдались и сверхновые типа Ia. Группа Рисса откалибровала на основе расстояний до этих галактик свойства сверхновых типа Ia как индикаторов расстояния. Наконец они вычислили величину постоянной Хаббла на основе данных наблюдений сотен сверхновых в более далеких галактиках, красные смещения которых могут служить надежной мерой скорости расширения Вселенной.
Две оценки величины постоянной Хаббла: одна – полученная на основе данных наблюдения реликтового излучения, и другая – определенная по наблюдениям цефеид и сверхновых, – выглядят настолько же несовместимыми, как Восточный и Западный Берлин в годы холодной войны. Как стоически заметил Шмидт на заключительном заседании берлинского симпозиума: «Ясно, что сейчас мы эту проблему не решили». Никакие стены не были разрушены, и никто не сумел придумать космологический КПП «Чарли» для перехода с одной стороны на другую.
Через восемь месяцев все стало еще хуже. В середине июля 2019 года несколько десятков астрофизиков и космологов собрались на трехдневную конференцию «Несогласование между ранней и поздней Вселенной», организованную Риссом с двумя коллегами в Институте теоретической физики имени Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Совместная научная группа SH0ES под руководством Рисса (это несуразное сокращение расшифровывается как Supernova, H0, for Equation of State of dark energy – «Сверхновая, H0, уравнение состояния темной энергии») опубликовала новую статью, основанную на большем объеме данных и более тщательном анализе4. Они получили для постоянной Хаббла оценку 74,0 км/с/Мпк с погрешностью всего 1 % – это почти на 10 % больше столь же точной оценки 67,4 км/с/Мпк, основанной на данных наблюдений реликтового излучения.
Более того, похожее большое значение скорости для расширения Вселенной было получено совершенно независимым методом, основанным на наблюдении гравитационного линзирования. В Берлине Шерри Сую из Института астрофизики имени Макса Планка (Германия) уже упоминала этот результат, но теперь он был подкреплен статьей, поданной в журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, которая была впоследствии опубликована в октябре 2020 года5. По словам авторов, в ситуации возрастания несоответствия между [оценками, основанными на данных для] ранней и поздней Вселенной необходимо рассмотреть возможные альтернативы стандартной плоской ΛCDM-модели. Это может привести к смене парадигмы в современной космологии, и для последовательной интерпретации всех имеющихся наблюдательных данных может потребоваться новая физика».
Подход Сую основан на использовании процесса линзирования, рассмотренного в главе 13. Как вы помните, под действием тяготения расположенного на луче зрения массивного объекта вроде огромной эллиптической галактики луч света от далекого квазара может разделиться, породив несколько изображений. При этом изменения блеска у разных изображений происходят в разное время, потому что время, затраченное светом на путь от квазара до нас, разное для разных изображений. Так что если у какого-то из изображений квазара наблюдается определенная картина мерцаний, то та же самая картина (последовательность) будет наблюдаться и у другого изображения того же квазара, правда (обычно) с запаздыванием на пару месяцев. По этому времени запаздывания – в сочетании с точной моделью распределения массы в расположенной между нами и квазаром гравитационной линзе – можно рассчитать длину пройденного светом пути для каждого из изображений. Если еще и измерить красное смещение изображений квазаров, то из полученной совокупности данных можно вывести значение постоянной Хаббла с точностью несколько процентов.
В рамках возглавляемого Сую международного проекта H0LiCOW (H0Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring) отслеживались изменения блеска шести гравитационно-линзированных квазаров, и на основании этих наблюдений для постоянной Хаббла была получена оценка 73,3 км/с/Мпк с точностью 2,4 % – почти в идеальном согласии со значением, полученным группой SH0ES. Статистическая значимость отличия совокупности этих двух оценок от меньшей «космологической» оценки 67.4 км/с/Мпк превышает 5 сигма (статистическая достоверность – 99,99994 %), а это значит, что вероятность того, что это различие вызвано случайными ошибками, меньше одной 3,5-миллионной.
При использовании ряда других методов определения расстояний до галактик, несмотря на их меньшую точность, тоже получаются большие значения постоянной Хаббла, которые оказываются близкими к оценкам Рисса и Сую. Из представленных в Санта-Барбаре астрофизических результатов только полученная Фридман оценка не сходилась с остальными. Эта оценка основана на использовании в качестве стандартных свечей ярчайших красных гигантов галактики. Метод этот, впервые примененный Фридман, дает для параметра H0 значение 69,6 км/с/Мпк, что значительно меньше других оценок, но все же за пределами погрешности оценок, основанных на ΛCDM-модели6.
И что же нам делать с противоречивыми значениями оценок постоянной Хаббла? Чему же она равна – около 74,0 км/с/Мпк, как получается у Рисса, Сую и других, или 67,4 км/с/Мпк, как следует из данных наблюдений реликтового излучения? В репортаже о конференции в Санта-Барбаре для Quanta Magazine журналистка Натали Волховер цитирует слова Рисса: «Я знаю, что это называется “несогласованностью постоянной Хаббла”, но можем ли мы назвать это проблемой?» На что специалист по физике элементарных частиц лауреат Нобелевской премии 2004 года Дэвид Гросс отвечает: «Это следует называть не несогласовнностью или проблемой, а скорее кризисом»7.
Но дело в том, что несогласованность Хаббла (или проблема, кризис, да неважно, как это называть) – это еще не все. Вселенная не просто расширяется быстрее, чем предсказывает конкордантная космологическая модель, она еще, согласно наземным наблюдениям, слишком однородна.