Постоянна ли постоянная Хаббла? Цефеиды и расширение вселенной

Есть мнение, что расширение пространства может быть поставлено под сомнение, поскольку результаты расчёта постоянной Хаббла по реликтовому излучению и по излучению сверхновых не совпадают. И это, само-собой, ошибочное мнение, – Хабблу вычисляют не по сверхновым, а по цефеидам. Так что, не приходится удивляться, что далее во мнении идёт детский сад про «усталость света».

Поскольку же наблюдательные причины, по которым красное смещение не может быть объяснено иначе, нежели доплеровским эффектом уже рассмотрены ранее, интересно данное мнение только упоминанием несовпадения результатов расчёта постоянной, выполненной разными методами. И такая проблема, действительно, есть.

Следовательно, сначала о самой «постоянной Хаббла».

Постоянной же Хаббла именуются скорость расширения пространства. Исчисляемая однако, не в метрах в секунду, а в метрах в секунду на метр (1/сек), – поскольку она увеличивается с расстоянием. Но на метр там получается ерунда в минус восемнадцатой степени, так что, обычно, хабблу считают равной 67-74 км/с на мегапарсек. Это, в частности, означает, что на дистанции в один парсек – 3.3 световых лет, что сравнимо с расстоянием до ближайшей звезды, – скорость убегания составит 7 сантиметров в секунду. При этом, характерная скорость движения звёзд друг относительно друга внутри галактики, – десятки километров в секунду. То есть, на внутригалактических дистанциях расширение пространства заведомо ненаблюдаемо. Как ненаблюдаемым оно остаётся даже в масштабах скопления, соответствующих, примерно, мегапарсеку. Скорость гравитационного движения галактик внутри скопления всё ещё выше скорости убегания.

Убегание становится наблюдаемым лишь в масштабах сверхскоплений, – когда счёт начинает идти на десятки и сотни миллионов световых лет. И данное обстоятельство будет важно для понимания проблемы.

Проблема заключается в точности измерений. В начале прошлого века, когда спектрография только была изобретена, – позволив, в том числе измерять скорости объектов методом Допплера, – а галактики едва только открыты (ранее их считали туманностями внутри Млечного Пути), астрономы заметили, что галактики – вроде бы – тем тусклее, чем краснее. Разобраться, кажется ли что это так, или же это так на самом деле, пытались многие. Но задача оказалась очень сложной, так как видимая светимость падает с квадратом расстояния, – а какое оно? Тусклая галактика могла быть близкой, – просто карликовой… И тут, всё-таки, нужно отметить, что в то время ни о какой «усталости света» речи уже идти не могло. «Красная» галактика не могла быть просто «старой» – с малым количеством голубых и большим красных гигантов, что в сумме давало видимый красный оттенок. В начале прошлого века, астрономы уже рассматривали отдельные линии спектра. «Красной» считалась галактика, гребёнка линий водорода в спектре которой сползала в сторону длинных волн… Красная галактика не могла быть «мёртвой» или «старой», но гигантской или карликовой – запросто.

Для того чтобы увязать скорость убегания с расстоянием, нужно знать абсолютную светимость галактики, а она падает до видимой с квадратом расстояния. Получался замкнутый круг, разрываемый только набором статистики. Допустим что все галактики – примерно, как Млечный путь. И тогда расстояние можно будет оценить по видимой светимости. Причём, оценка будет ошибочной в каждом конкретном случае, но близкой к реальности – в среднем. Проанализировав спектры тысяч галактик, Хаббл установил что – в среднем – красное смещение растёт прямо пропорционально расстоянию, рассчитанному по светимости. Уточнив расстояния по методу цефеид, в 1929 году он вывел закон своего имени и вычислил «постоянную Хаббла». Тогда у него получилось, что она равна 500 км/с на мегапарсек.

Следовательно, о цефеидах. Более массивные, чем Солнце, в 3-18 раз звёзды на завершающей стадии эволюции, – когда в ядре выгорает водород, – превращаются в жёлтые гиганты. Ибо после прекращения реакций синтеза в ядре, ядро начинает сжиматься, и давление в нём растёт, пока не сложатся условия для начала синтеза кислорода из гелия… Происходит «гелиевая вспышка», – которая просто уничтожит подобную Солнцу звезду. Верхние слои вещества будут сорваны давлением излучения, звезда превратится в красный гигант и рассеется, оставив после себе белый карлик… Вещество же более тяжёлой звезды от гелиевой вспышки только вздувается, а потом падает назад, вызывая следующую детонацию гелия в ядре. Цефеиды пульсируют с периодом от суток до недель предсказуемо зависящим от массы, и видны как яркие переменные звёзды.

...Что позволяет использовать цефеиды, как «стандартные свечи». Ведь абсолютная светимость тоже зависит от массы звезды. Массу мы узнаём из периода пульсации. Здесь всё непросто, ибо приходится различать несколько типов цефеид, – есть классические, II типа (получившиеся из низкометалличных звёзд населения II), аномальные, бимодальные, входящие в кратные системы. Но задача разрешима. Зная же абсолютную и видимую светимости, можно вычислить расстояние. А потом сравнить его с расстоянием, высчитанным по скорости убегания. Получив примерно такую же ерунду, что и Хаббл.

Проблема в том, что ещё в недавнее время цефеиды были видны только в 20 мегапарсеках. В прошлом же на расстоянии много меньшем. А на такой дистанции скорость собственного (гравитационного) движения галактик и звёзд внутри них больше или сравнима со скоростью убегания. Нужно проводить сложнейшие дополнительные расчёты и вносить поправки, «вытаскивая» скорость убегания из общей суммы скоростей.

С тех пор астрономы этим и занимаются.

Результат же расчётов действительно разнится. По цефеидам, – то есть, вблизи, хотя, новейшие телескопы стали видеть больше таких звёзд, – получается 74+-1.4 км/с на мегапарсек. По галактикам и реликтовому излучению 67.4+-0.5 км/с на мегапарсек. Как легко видеть, второй результат – точнее. Погрешность меньше в целых три раза. И, соответственно, «реликтовый» метод пользуется большим доверием, поскольку требует учёта меньшего количества факторов, меньшего объёма расчётов, применим на больших дистанциях и независим от возможных ошибок в представлениях о физике самих цефеид.

Так что, на данный момент рабочей гипотезой для объяснения расхождения результатов является ошибка в формулах, связывающих массы, возраст, спектр, период пульсации и светимость цефеид.

Если проще, то астрономия – точная наука. Причём, точность в порядок астрономами считается удовлетворительной, а в полпорядка – хорошей.