Новости астрономии

Определение постоянной Хаббла по цефеидам в скоплении галактик в созвездии Девы - "ультрафиолетовая катастрофа" космологии конца ХХ века?

K.A.Пocтнoв

Постоянная Хаббла H₀ является одной из фундаментальных наблюдательных констант космологии. Введенная американским астрономом Э. Хабблом в 20-х годах нашего столетия, она определяет масштаб Вселенной (связывая наблюдаемые скорости убегания галактик с расстоянием до них через соотношение v = H₀ r) и ее возраст. В отсутствии замедляющих сил, возраст Вселенной короче 1/H₀ (напомним, что постоянная Хаббла измеряется в км/с на мегапарсек, и, следовательно, имеет размерность обратного времени). Например, в стандартной модели Большого Взрыва со средней плотностью материи равной критической (т.е. такой, при которой Вселенная как целое описывается плоским пространством и ее полная энергия равна нулю), возраст есть (2/3)(1/H₀). Кроме того, значение постоянной Хаббла налагает ограничения на плотность барионов, образовавшихся на ранних стадиях расширения после Большого Взрыва, на количество невидимой материи и на формирование наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Однако измерения постоянной Хаббла разными методами дают ее значение примерно между 50 и 100 км/(сМпк), причем главная трудность состоит в правильном определении расстояния до удаляющейся галактики.

Основным методом измерения расстояний до далеких объектов считается наблюдение классических Цефеид. Эти переменные звезды являются сверхгигантами со светимостью 1000-100000 солнечных, пульсирующими с периодами в несколько десятков дней. Их основное свойство состоит в жесткой связи периода пульсаций с абсолютной звездной величиной (т.н. соотношение период - светимость), которая в настоящее время понятна и с теоретической точки зрения. Изучая близкие цефеиды (например, находящиеся в Магеллановых Облаках, расстояние до которых можно определить и другими методами), калибруют эту зависимость, а затем применяют ее для оценки расстояния до цефеид в далеких галактиках.

Однако измерение постоянной Хаббла по относительно близким галактикам (на расстоянии до 5 Мпк) невозможно из-за собственных (т.н. пекулярных) скоростей гравитационно-взаимодействующих галактик порядка сотен км/с. Поэтому в качестве объекта исследований было выбрано ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы.

В конце сентября 1994 г. были опубликованы результаты наблюдений цефеид в галактике NGC 4571, находящейся вблизи центра скопления в созвездии Девы. Эти наземные наблюдения проводились на Канадско-французско-гавайском телескопе на обсерватории Мауна Кеа (Pierce et al. 1994, Nature 371, 385). Было обнаружено 3 цефеиды, по которым расстояние до галактики оказалось равным 14.9±1.2 Мпк. Это привело к оценке постоянной Хаббла H₀ = 87±7 км/(сМпк).

Через месяц в печати появились результаты наблюдений цефеид в галактике М100 близкой к центру скопления в созвездии Девы, проведенные с борта космического телескопа им. Хаббла (W. L. Freedman et al. 1994, Nature 371, 757). Было обнаружено 13 цефеид примерно 25-й звездной величины с периодами между 10 и 65 сутками, и предварительный анализ привел к выводу, что расстояние до галактики М100 17±1.8 Мпк. Это приводит к значению постоянной Хаббла H₀ = 80±17 км/(сМпк). Существенно, что близкое значение постоянной Хаббла H₀ = 77±16 км/(сМпк) получается из оценки наблюдаемой скорости удаления более далекого сверхскопления галактик в Волосах Вероники (v - 7200±100 км/с), т.к. относительное расстояние между центром этого скопления и скопления в созвездии Девы известно достаточно хорошо (модуль расстояния 3.71±0.10 зв. величины).

Что означает такое значение постоянной Хаббла? Во-первых, время с начала расширения Вселенной в стандартной модели оказывается около 8 млрд. лет, что противоречит по крайней мере: 1) общепринятым оценкам возраста старых шаровых скоплений - 14±2 млрд. лет, который выводится из теории звездной эволюции; 2) оценкам возраста населения галактического диска, выведенным из кривых остывания старых белых карликов; 3) возрасту земных пород, оцениваемому по радиоактивному распаду тяжелых элементов. Все эти оценки свидетельствуют о возрасте Вселенной по крайней мере 10 млрд. лет. Согласие с астрономическими данными при такой постоянной Хаббла можно получить, например, путем введения космологической постоянной, существование которой неизбежно следует из принципов фундаментальной физики. Следовательно, либо стандартная космологическая модель должна быть пересмотрена, либо современные теории звездной эволюции и наблюдения следует проверить.

Можно ли говорить о кризисе в данной ситуации? С одной стороны, нужно подождать новых наблюдений - не снимется ли возникшее противоречие само собой (для этого на космическом телескопе им. Хаббла уже проводится специальная программа наблюдения цефеид примерно в 20 галактиках поля и в близких группах Лев I, Волосы Вероники I, а также еще в 2 больших спиральных галактиках из скоплений в созвездиях Девы и Печи). С другой стороны, не напоминает ли возникшая ситуация в космологии то, что было в физике в конце XIX в., когда знаменитая "ультрафиолетовая катастрофа" послужила началом новой квантовомеханической эпохи?

По материалам журнала Nature 371, 1994.