Астрофизики не одно десятилетие спорят, с какой скоростью расширяется Вселенная. Два основных метода измерения скорости показывают разные результаты. Эта неувязка, известная как «напряжение Хаббла», ставит под сомнение базовые модели мироздания.
Команда ученых из NASA озвучила весьма любопытное решение проблемы. Они предложили разместить пять спутников с атомными часами в разных уголках Солнечной системы и превратить их в гигантский измерительный инструмент.
В 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил, что в спектрах многих галактик наблюдается космологическое красное смещение — явление, при котором тела «уносится» расширяющимся пространством. По этим данным он сделал вывод, что галактики удаляются друг от друга.
Позднее исследователь заметил закономерность: чем больше расстояние до галактики, тем выраженнее красное смещение и тем выше скорость ее удаления. Значит, заключил астрофизик, — Вселенная расширяется.
В своих расчетах Хаббл применял выведенный им коэффициент пропорциональности, связывающий расстояние до небесного объекта со скоростью его удаления. Этот параметр назвали «постоянной Хаббла». Хаббл получил это значение с очень большой погрешностью, потому что методы измерения расстояний в то время были несовершенны.
В наши дни ученые пытаются уточнить значение постоянной Хаббла, чтобы более надежно измерять расстояния до галактик и их скоплений. Уточнение этой величины поможет решить ряд ключевых вопросов космологии, например, достовернее рассчитать возраст Вселенной.
Сегодня скорость расширения Вселенной измеряют двумя основными способами. Первый основан на анализе светимости удаленных объектов. Исследователи находят галактики, в которых вспыхнули сверхновые типа Ia, по их яркости и спектральным характеристикам рассчитывают расстояние до этих галактик и саму скорость расширения.
Второй метод связан с исследованием свойств космического микроволнового фонового излучения — реликтового излучения. Оно возникло в эпоху рекомбинации (примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва) и с тех пор равномерно заполняет всю Вселенную.
Сложность заключается в том, что оба метода приводят к разным значениям («хаббловское напряжение»). Согласно первому методу, постоянная Хаббла составляет примерно 73 километра в секунду на мегапарсек, тогда как второй дает значение 67 километров в секунду на мегапарсек. По мере совершенствования телескопов эти оценки продолжают уточняться. Сегодня для расчетов обычно используют усредненное значение — примерно 70 километров в секунду на мегапарсек, но это не решает проблему.
Почему не удается получить точное значение постоянной Хаббла — одна из самых «горячих» тем в астрономии. Возможно, причина кроется в неизвестных эффектах, систематически искажающих один из результатов, а может быть, дело в «новой физике», которую еще предстоит открыть.
В любом случае ученые не сидят сложа руки, а пытаются найти способы, которые разрешили бы эту проблему.
Группа исследователей из NASA представила проект из пяти спутников, обладающих более чувствительной системой измерения, необходимой для разрешения «хаббловского напряжения». Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной на сайте препринтов arXiv.org.
Проект называется «Космическая система позиционирования». Это сеть из пяти спутников, которые равномерно распределяются по всей Солнечной системе. Расстояние между ними колоссальное — от 20 до 100 астрономических единиц.
Сеть из пяти спутников превратится в гигантский измерительный инструмент. Они будут работать как единый телескоп: принимать сигнал от далеких объектов и фиксировать разницу во времени его прихода. Благодаря этому ученые смогут с высокой точностью определить положения космических тел, измерить расстояния до них и уточнить скорость расширения Вселенной, исключая многие погрешности.
Чтобы воплотить эту идею в жизнь, инженерам придется преодолеть сложные технические препятствия. Каждый спутник предлагается оснастить антенной диаметром от восьми до девяти метров. В существующие обтекатели ракет такая конструкция не поместится, поэтому антенну нужно делать раскладной и развертывать уже в космосе.
Кроме того, такие антенны придется охлаждать до 20 кельвин. Большая удаленность от Солнца поможет снизить температуру естественным образом, но без специальной системы охлаждения, вероятно, не обойтись.
Радиосистема должна улавливать крайне слабые сигналы — вплоть до отдельных фотонов в оптическом (инфракрасном) диапазоне или до очень слабых радиосигналов, таких как быстрые радиовсплески.
Любая электроника и сама антенна излучают собственное тепловое излучение. Чем выше температура, тем больше так называемый тепловой шум. Этот шум может перекрыть важный сигнал.
Если охладить антенну примерно до 20 кельвинов, уровень собственного излучения резко упадет. Снизится фоновый шум, увеличится точность измерения времени прохождения сигнала. Для проекта, который должен фиксировать разницу в доли наносекунды на расстояниях до ста астрономических единиц, это критично.
Ключевой элемент проекта — сверхточные часы. Исследователи предлагают использовать прибор уровня Deep Space Atomic Clock от NASA. Эти атомные часы уже летали в космос во время миссии STP-2 с 2019 по 2021 год.
Однако для новой миссии их придется серьезно уменьшить и сделать менее энергозатратными. Солнечные батареи на окраинах Солнечной системы будут получать достаточно мало света, поэтому энергию придется экономить. Вероятно, каждый спутник оснастят радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. Это устройства, которые вырабатывают электричество за счет тепла от распада радиоактивного вещества. Они работают постоянно и не зависят от света.
Эта энергия нужна еще и для очень точной обработки сигналов. Спутники будут принимать слабые сигналы из космоса, чтобы его не «потерять», сигнал нужно быстро и точно перевести в «цифру». Для этого используют высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи. Они «оцифровывают» весь диапазон сигнала, после чего данные отправляют на Землю для анализа.
Измерение скорости расширения Вселенной — главная, но не единственная цель проекта. Сеть из пяти спутников позволит решить и другие задачи. Астрономы смогут изучить «комковатость» темной материи, отслеживая колебания в сигналах быстрых радиовсплесков.
По заверениям ученых, система также способна фиксировать гравитационные волны в низкочастотном диапазоне (наногерцы). Речь идет, в частности, о сигналах, испускаемых сверхмассивными двойными черными дырами — область, которая сейчас почти не изучена.
Кроме того, небольшие изменения гравитационного притяжения самих аппаратов помогут уточнить массу и гравитационные свойства пояса Койпера. Заодно можно проверить гипотезу о существовании Девятой планеты, если она действительно скрывается на окраине Солнечной системы, ее гравитация неизбежно повлияет на движение аппаратов.
Пока проект «Космическая система позиционирования» лишь концепция. Авторы отметили, что с учетом ряда доработок система выглядит технически реализуемой. Теперь все зависит от того, найдется ли заинтересованная сторона, готовая вложить средства в дальнейшее развитие.
Автор: Игорь Байдов