Что вообще измеряют
Постоянная Хаббла — это не скорость какой-то конкретной галактики, а параметр, который связывает расстояние до далёких объектов со скоростью их удаления от нас в среднем по большим масштабам Вселенной. Чем дальше объект, тем сильнее растянут («покраснел») свет, который до нас долетел, — и именно эта зависимость даёт число.
Измерить его можно двумя принципиально разными способами. Первый — «локальный»: астрономы берут переменные звёзды-цефеиды и вспышки сверхновых типа Ia как стандартные маяки известной яркости и по ним напрямую вычисляют расстояния и скорости в относительно близкой Вселенной. Второй — «космологический»: используют реликтовое излучение — свет, оставшийся от эпохи, когда электроны впервые смогли соединиться с ядрами и образовать атомы, а фотоны получили возможность свободно лететь через пространство. Зная, как выглядела Вселенная в тот момент, и опираясь на стандартную модель космологии, можно вычислить, какой должна быть постоянная Хаббла сегодня.
Проблема в том, что оба метода дают разные ответы, причём с высокой точностью каждый: локальный — около 73,5 км/с/Мпк, космологический — около 67,2 км/с/Мпк. Формально расхождение оценивается на уровне 7,1σ, а шанс, что это случайность, — примерно один к 780 миллиардам. Такая величина не означает, что проблема окончательно решена в пользу какой-то одной картины мира, — она означает, что где-то в цепочке рассуждений спрятано что-то, что стандартная модель не учитывает.
Почему подозревают именно раннюю Вселенную
Космологический способ измерения не работает «в вакууме» — он опирается на стандартную модель ΛCDM, где тёмная энергия представлена космологической постоянной, а тёмная материя считается холодной и не взаимодействующей с собой. Эта модель прекрасно описывает и реликтовое излучение, и барионные акустические осцилляции — своеобразную «космическую линейку», оставшуюся от звуковых волн, которые прокатывались по горячей плазме молодой Вселенной, — и крупномасштабную структуру галактик. Именно эта надёжность делает ΛCDM сильным базовым описанием мира, а не устаревшей теорией, которую пора списывать.
Но раз ΛCDM так хорошо описывает раннюю историю Вселенной, а именно на её основе вычисляется «космологическое» значение H0, логично предположить: если что-то в этой ранней истории устроено немного иначе, то и итоговое число сдвинется. Отсюда и растёт целое семейство гипотез-«исправлений», которые пытаются подправить не сами измерения, а теоретическую модель, стоящую за одним из двух чисел.
Турнир моделей вместо дуэли чисел
Именно здесь начинается по-настоящему интересная часть истории. Команда космологов во главе с Нильсом Шёнебергом и Вивиан Пулен провела нечто похожее на турнир: собрала 14 популярных теоретических моделей, претендующих на объяснение расхождения, и проверила их все на одинаковых наборах данных — реликтовое излучение, барионные акустические осцилляции и сверхновые — с помощью двух независимых статистических подходов, байесовского и частотного. Смысл такого сравнения не в том, чтобы объявить победителя по красоте идеи, а в том, чтобы отсеять модели, которые выглядят убедительно на словах, но не проходят проверку данными.
Все 14 моделей естественным образом делятся на группы по тому, в какой момент истории Вселенной они «вмешиваются» в стандартную картину.
| Группа моделей | Когда действует | Что меняет | Как выглядит по итогам сравнения |
|---|---|---|---|
| Раннее дополнительное поле (E) | До рекомбинации | Добавляет кратковременную нерадиационную энергию, уменьшающую звуковой горизонт | Наиболее устойчивая группа, снижает напряжение до ~3σ |
| Дополнительная радиация (R) | До рекомбинации | Вводит новые формы радиации в раннюю Вселенную | В целом не даёт значимого преимущества перед ΛCDM |
| Позднее изменение расширения (L) | После рекомбинации | Меняет темп расширения уже в «недавней» истории Вселенной | Слабый кандидат по совместным данным |
| Модифицированная рекомбинация (M) | Во время рекомбинации | Меняет сам процесс формирования атомов, например допускает изменение массы электрона | В основном не проходит, кроме частного случая с массой электрона |
| Раннее + позднее (E+L) | До и после рекомбинации | Единая модель модифицированной гравитации, действующая на обоих этапах | Отдельный случай, не выделяется как явный лидер |
Такое разделение важно не для галочки: оно показывает, что «решить проблему Хаббла» можно очень по-разному — подправить самый ранний этап жизни Вселенной, изменить её недавнюю историю или вмешаться в момент рождения реликтового излучения. И далеко не все эти пути равноценны, когда их проверяют на одних и тех же данных.
Куда идёт сигнал и где его перепроверяют
Чтобы понять, почему расхождение в H0 вообще возникает и как его пытаются устранить, полезно представить это как последовательность шагов — от самой ранней Вселенной до сравнения с сегодняшними измерениями.
flowchart TD A[Ранняя Вселенная и рекомбинация] --> B[Реликтовое излучение и BAO] B --> C[Модель ΛCDM или её альтернатива] C --> D[Вычисленное значение H0] D --> E[Сравнение с локальным измерением по сверхновым] E --> F[Напряжение Хаббла: совпадение или расхождение]
Именно на шаге C и разворачивается основная борьба моделей: меняя предположения о ранней Вселенной, можно сдвинуть итоговое расчётное значение H0 ближе к локальному — но только если модель при этом не портит согласие с реликтовым излучением и барионными осцилляциями, которые сами по себе описываются очень точно.
Кто пока лидирует — и почему рано ставить точку
По итогам сравнения на данных реликтового излучения, барионных осцилляций и сверхновых заметно выделилась одна группа: модели с ранней дополнительной, нерадиационной энергией — тем самым механизмом, который принято называть ранней тёмной энергией. Идея в том, что незадолго до рекомбинации в игру ненадолго вступает дополнительный источник энергии, который слегка сжимает звуковой горизонт — ту самую «линейку», зашитую в барионные осцилляции — и тем самым сдвигает косвенную оценку H0 вверх, ближе к локальным измерениям. По итогам совместного анализа именно эта группа моделей оказалась достаточно предпочтительной, чтобы её стоило исследовать дальше, а напряжение внутри неё в некоторых анализах опускалось до уровня около 3σ. Единственный заметный «сюрприз» среди остальных — модель с изменяющейся массой электрона из группы модифицированной рекомбинации, которая частично удержалась на плаву, тогда как большинство прочих кандидатов совместную проверку не прошли.
Но важно не путать «лучший результат в турнире» с «доказанной физикой». Ранняя дополнительная энергия — это пока рабочая гипотеза, а не подтверждённое наблюдениями явление: у неё есть собственные теоретические сложности и нерешённые вопросы, связанные, например, с амплитудой скучивания вещества на определённых масштабах. А если вообще не учитывать локальные измерения H0, стандартная ΛCDM по-прежнему остаётся предпочтительным описанием данных.
Свежая, более строгая версия этого турнира — с данными DESI по барионным осцилляциям, а также более точными измерениями реликтового излучения от телескопов ACT и SPT — уже проверяет лидеров дополнительными «стресс-тестами»: другими методами обработки данных реликтового излучения, разными наборами сверхновых, ограничениями от крупномасштабной структуры и первичного нуклеосинтеза. Это именно то, что должно происходить с любой многообещающей гипотезой в науке — её не объявляют победившей, а методично пытаются сломать со всех сторон, какие только можно придумать.
Что в итоге можно сказать сегодня
Спор о постоянной Хаббла — это не гонка двух чисел, где рано или поздно кто-то признает ошибку. Это проверка целых картин мира: одни модели утверждают, что подправить нужно самое начало истории Вселенной, другие — её недавнее прошлое, третьи — сам момент рождения реликтового излучения. Сравнение 14 таких моделей на общих данных показало, что большинство обходных путей не выдерживает совместной проверки, а самыми жизнеспособными пока остаются сценарии с дополнительной энергией на заре Вселенной. Это не победа над ΛCDM и не доказательство существования ранней тёмной энергии — это лишь сужение круга разумных объяснений, которое станет ещё точнее после следующих раундов проверки данными.
