ОДНА СВЕРХНОВАЯ, ПЯТЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СКОРОСТЬ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Как быстро расширяется Вселенная сегодня? Ответ на этот вопрос даёт постоянная Хаббла, H0. Два основных способа её измерить — «лестница» расстояний до ближайших звёзд и галактик и слабое остаточное свечение молодой Вселенной, реликтовое излучение, — сейчас дают заметно разные значения. Это расхождение, хаббловское напряжение (Hubble tension), — один из главных открытых вопросов космологии.

Есть и третий путь, не зависящий ни от одного из них.

Космическая линза со встроенными часами

Когда очень массивный объект — галактика или целое скопление галактик — находится перед далёким источником, его гравитация изгибает свет и может расщепить источник на несколько изображений. Это сильное гравитационное линзирование. Лучи света проходят пути разной длины. Если яркость источника меняется, изображения меняются одно за другим.

Эти временные задержки зависят от массы линзы и космических расстояний — а значит, и от H0. Идею предложил Рефсдал в 1964 году, имея в виду сверхновые, видимые в нескольких изображениях.

Первая такая сверхновая, ныне известная как SN Refsdal, была открыта в 2014 году за скоплением галактик MACS J1149.5+2223. Сначала она появилась в виде четырёх изображений вокруг одной из галактик скопления; пятое изображение, предсказанное моделями, ожидалось примерно через год. Среди измеренных задержек — 376 дней между двумя изображениями.

77 000 пикселей вместо нескольких точек

Самое трудное — точно знать, как распределена масса скопления. До сих пор модели использовали только положения множественных изображений фоновых галактик. Штефан Шульдт из Университета Турку и Миланского университета и его коллеги из Италии, Германии, Испании и Финляндии пошли дальше.

Их модель уже включала 308 галактик скопления, гало тёмной материи и более 100 множественных изображений 17 фоновых источников. К этому они добавили полную форму и яркость галактики, в которой вспыхнула сверхновая: 77 000 пикселей с космического телескопа «Хаббл». Это первое измерение космологических параметров с моделью такого рода для скопления галактик.

Для надёжности они испытали четыре способа взвешивания данных и учли различия между ними как дополнительную неопределённость.

Измерение с точностью 3%

H0 = 65,0 (+2,0 / −1,8) километра в секунду на мегапарсек, причём одновременно измерено и содержание материи во Вселенной, Ωm = 0,30.
Неопределённость — 3,0%: самое точное значение, когда-либо полученное по одной сильной линзе, лучше результата 3,9% по линзированному квазару.
Добавление пикселей уменьшило неопределённость в 2,0 раза по сравнению с той же моделью, использующей лишь положения изображений.
Все версии модели согласуются друг с другом и с более ранними исследованиями SN Refsdal.

Значение согласуется с полученным по реликтовому излучению миссией Planck, а также с другой линзированной сверхновой, SN Encore. От значения лестницы расстояний команды SH0ES оно дальше.

Неопределённость модели масс теперь сравнима с неопределённостью самой длинной задержки. Иными словами, ограничивающим фактором стали часы, а не карта.

Что ещё может сдвинуть число

Авторы перечисляют, чего не учитывают их 3%. Они зафиксировали рецепт распределения массы скопления, чтобы сравнение со старыми моделями было честным, поэтому детали этого рецепта не засчитаны как неопределённости. Известное слепое пятно линзирования — «вырождение массового слоя» (mass-sheet degeneracy) — укрощено лишь частично. А если лучи зрения, проходящие через скопления галактик, пустее среднего, скопления-линзы будут занижать H0.

Следующая проверка близка: другая линзированная сверхновая, SN Requiem, должна вновь появиться в 2026 или 2027 году — примерно через десять лет после первого наблюдения. Её задержку предполагается измерить очень точно, и с моделью вроде этой она могла бы дать H0 с точностью до нескольких процентов. Ожидается, что обсерватория Рубин найдёт ещё много таких сверхновых.