Гравитационные линзы измеряют расширение Вселенной

Физик из Лейдена Дэвид Харви адаптировал независимый третий метод измерения, используя свойства искривления света галактик, предсказанные Эйнштейном.

Мы уже почти столетие знаем о расширении Вселенной. Астрономы отметили, что свет от далеких галактик имеет меньшую длину волны, чем у близких галактик. Световые волны кажутся вытянутыми или смещенными в красную область, то есть, далекие галактики удаляются.

Эту скорость расширения, называемую постоянной Хаббла, можно измерить. Некоторые сверхновые или взрывающиеся звезды обладают хорошо известной яркостью; это позволяет оценить их расстояние от Земли и связать его с их красным смещением или скоростью. На каждый мегапарсек расстояния (парсек равен 3,3 светового года) скорость, с которой галактики удаляются от нас, увеличивается на 73 километра в секунду.

Однако все более точные измерения космического микроволнового фона, остатка света в очень ранней Вселенной, дали другую постоянную Хаббла: около 67 километров в секунду.

Как это может быть? Почему разница? Может ли эта разница рассказать нам что-нибудь новое о Вселенной и физике? «Вот почему появилось третье измерение, независимое от двух других: гравитационные линзы», говорит лейденский физик Дэвид Харви.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает, что концентрация массы, такая как галактика, может искривлять путь света, подобно линзе. Когда галактика находится перед ярким источником света, свет изгибается вокруг нее и может достигать Земли разными маршрутами, обеспечивая два, а иногда даже четыре изображения одного и того же источника.

В 1964 году у норвежского астрофизика Сьюра Рефсдала случился момент «ага!»: когда линзирующая галактика немного смещена от центра, один маршрут становится длиннее другого. Это означает, что свет проходит по этому пути дольше. Поэтому, когда яркость квазара меняется, эта точка будет видна на одном изображении перед другим. Разница может составлять дни, недели или месяцы.

Рефсдал показал, что эта разница во времени также может быть использована для определения расстояний до квазара и линзы. Сравнение их с красным смещением квазаров дает независимое измерение постоянной Хаббла.

Исследовательское сотрудничество в рамках проекта HoliCOW использовало шесть из этих линз, чтобы сузить постоянную Хаббла примерно до 73. Но есть сложности: помимо разницы расстояний, масса галактики переднего плана также оказывает эффект задержки, в зависимости от точного массового распространения. «Это распределение необходимо смоделировать, но остается еще много неизвестного», - говорит Харви. Подобные неопределенности ограничивают точность этого метода.

Это может измениться, когда новый телескоп увидит первый свет в Чили в 2021 году. Обсерватория Веры Рубин предназначена для получения изображений всего неба каждые несколько ночей и, как ожидается, будет снимать тысячи двойных квазаров, что даст возможность даже сузить постоянную Хаббла в дальнейшем.

Харви говорит: «Проблема в том, что моделирование всех этих галактик переднего плана по отдельности невозможно с помощью вычислений». Поэтому вместо этого Харви разработал метод расчета среднего эффекта от полного распределения до 1000 линз.

«В этом случае индивидуальные особенности гравитационных линз не так важны, и не нужно моделировать все линзы. Просто нужно убедиться, что моделируете всю популяцию», - говорит Харви.

«В статье я показываю, что при таком подходе ошибка пороговой величины постоянной Хаббла составляет 2% при приближении к тысячам квазаров».

Эта погрешность позволит провести осмысленное сравнение между несколькими кандидатами в постоянные Хаббла и может помочь понять расхождение.