Гравитационните лещи ни дават трета оценка за разширяването на Вселената – Ars Technica

Всеки, който е измервал нещо два пъти, като ширината на врата, и е получил два различни отговора, знае колко досадно може да бъде това. Сега си представете, че сте физик и това, което измервате, ни казва нещо фундаментално за Вселената. Има редица примери като този – изглежда, че не можем да получим измервания на съгласие за това колко дълго неутроните оцеляват извън атомните ядра, например.

Но малцина са по-фундаментални за поведението на Вселената от споровете около т.нар Константа на ХъбълТова е мярка за това колко бързо се разширява Вселената. Измерихме го, използвайки информация от космическия микровълнов фон и получихме една единствена стойност. Измерихме го, като използвахме видимото разстояние на обектите в настоящата вселена и получихме стойност, която се различава с около 10 процента. Доколкото някой може да каже, няма нищо лошо в нито едно от измерванията и няма очевиден начин да ги накараме да се съгласят.

Сега изследователите са успели да направят трето независимо измерване на разширяването на Вселената чрез проследяване на поведението на свръхнова с гравитационни лещи. Когато беше открита за първи път, обективът беше направил четири изображения на свръхновата. Но по-късно се появи пети и това забавяне на времето беше повлияно от разширяването на Вселената – оттам и константата на Хъбъл.

непоследователна константа

Константата на Хъбъл е мярка за разширяването на Вселената, както можете да разберете от нейните единици, които са километри в секунда на мегапарсек. Следователно всяка секунда, всеки мегафарск във Вселената се разширява с определен брой километри. Друг начин да мислим за това е от гледна точка на относително неподвижен обект на разстояние от мегапарсек: всяка секунда той се отдалечава на повече километри.

Колко километра? Тук е проблемът. Измерванията на космическия микровълнов фон с помощта на сателита Planck дадоха стойност от 67 km/s Mpc. Тези, направени чрез проследяване на далечни свръхнови, дават стойност от 73 km/s Mpc. Не сме сигурни защо тези измервания се различават или дали има технически проблем с такъв, който все още не сме идентифицирали. Но това е голям нерешен проблем.

Новата работа включва трети метод за измерване на разстояние, който е независим от другите два метода. Той разчита на гравитационни лещи, при които изкривяването в пространство-времето, причинено от масивен обект, действа като леща за увеличаване на обект във фонов режим. Тъй като тези лещи не са перфектни по отношение на оптичното качество, често ще има известно изкривяване и неравности. Това кара светлината от фоновия обект да поема по различни пътища към земята, така че един обект може да се появи на няколко различни места, разпределени около лещата.

В космически мащаби тези пътища също могат да изискват светлината да измине много различни разстояния, за да достигне Земята. И тъй като светлината се движи с ограничена скорост, това означава, че можем да гледаме на един обект, сякаш е различен пъти. Миналата година, например, изследователи намериха едно изображение от космическия телескоп Хъбъл, което улови свръхнова такава, каквато е била в три различни момента след експлодирането ѝ.

Новата работа се фокусира върху подобен пример, свръхнова, идентифицирана за първи път през 2014 г., и Сега се нарича SN Refsdal, на името на астронома, който пръв предложи използването на лещовидни експлозии за извършване на измервания. Когато беше открита за първи път, далечната SN Refsdal беше заснета от група галактики, наречени MACS J1149.6+2223, които са създали четири различни изображения от нея. Но проучванията на лещата, образувана от MACS J1149.6 + 2223, бързо показаха, че тя ще създаде допълнително изображение след около година.

Оказва се, че тези прогнози са верни. Изображенията, направени в края на 2015 г., отбелязаха петото изображение на събитието, създадено чрез гравитационни лещи.

мерителна пръчка

Закъсненията във времето, които наблюдавахме, измерват допълнителното разстояние, което светлината изминава по пътя си към Земята. Тези разстояния са достатъчно големи, за да бъдат засегнати от разширяването на Вселената. И така, измервайте нещата достатъчно точно и трябва да имаме стойност за разширяването на Вселената – друг път към константата на Хъбъл. Тази идея беше това, което даде името на суперновата Sjur Refsdal на първо място.

Но проблемът е, че не знаем точния път, по който минава светлината в този случай. По-голямата част от масата на галактическия клъстер е под формата на тъмна материя, така че не можем да я изобразим директно. Можем да направим модели на мястото, където тази маса е вероятно да почива на мястото на видимия материал. Но ние обикновено проверяваме тези модели въз основа на това колко добре обективът създава изображения. Но в този случай данните, които се опитваме да разберем, са обърнатите изображения. Така че не можете наистина да използвате изображения като вход и изход за един и същ анализ.

За да се справят с това, изследователите третираха всичко като проблем за оптимизация. Те взеха няколко модела на гравитационни лещи и ги тестваха с диапазон от стойности за константата на Хъбъл, търсейки комбинации от модела плюс константата, която най-добре съответства на местоположението на изображенията на лещите и появата на забавеното пето изображение.

Най-доброто прилягане към техните модели се оказа точно под стойността на константата на Хъбъл, получена от космическия микровълнов фон, като разликата беше в рамките на статистическата грешка. Стойностите, по-близки до тези, получени от измервания на други свръхнови, са по-подходящи за данните.

Изследователите внимателно казват, че това не означава, че трябва да изключим по-високата стойност. Този метод е твърде нов и несигурността, която произтича само от една супернова, е твърде голяма, за да се разглежда като последна дума. Но все още е важен, отчасти защото осигурява независимо средство за достигане до константата на Хъбъл и отчасти защото има потенциал да идентифицираме бъдещи примери за късни свръхнови лещи, които могат да ни дадат повече данни.

И накрая, интересно е, че данните са произведени от относително зряла вселена, в която има звезди и галактики. Въпреки това, той произвежда стойност, по-съвместима с тази, произведена от космическия микровълнов фон, който се формира рано в историята на Вселената. Така че най-малкото предполага, че разликата между другите две мерки на константата на Хъбъл не е продукт на нещо специално за ранната вселена.

Наука, 2023. DOI: 10.1126 / Наука. abh1322 (относно DOI).