Оценка расширения Вселенной с использованием света сверхновой

Первое, что я хочу представить, это стандартная свеча , которая представляет собой астрономический объект с хорошо известным профилем свечения и излучения. Одна из лучших стандартных свечей, которые у нас есть, — это Type 1a Supernova . Этот тип сверхновых возникает очень специфическим образом, так что все сверхновые типа 1a имеют примерно одинаковую яркость и профиль излучения. Это означает, что любые отклонения в визуальной величине или наблюдаемом спектре связаны с путем, которым свет достиг нас. Визуальная величина зависит в первую очередь от расстояния до сверхновой.

Имея это в виду, астрономы и космологи могут использовать так называемое расстояние светимости , чтобы определить расстояние от нас до сверхновой. Однако это дает нам только расстояние, пройденное светом; не расстояние между нами и это сейчас .

Кроме того, свет смещается в красную сторону из-за расширения Вселенной. Мы знаем это, потому что профиль излучения, который мы получаем, выглядит примерно так (Источник изображения: Европейская южная обсерватория):

Нижняя линия соответствует близкому Type1a, а верхняя строка соответствует далекому Type1a. Как видите, дальний выглядит так же, за исключением того, что все немного смещено вправо. Это связано с расширением Вселенной. Как я уже сказал, у нас есть очень конкретные ожидания относительно того, как выглядит профиль излучения сверхновой типа 1а. Это должно выглядеть так, как вы видите на изображении выше. Это означает, что мы можем легко удалить шум или помехи от внешних источников, таких как Солнце. Внешние источники немного изменят профиль, который мы видим. Они могут добавить еще один пик, или увеличить шум, или удалить полосу излучения и т. д. Но поскольку мы знаем, что это тип 1а, и мы знаем, что он долженПохоже, мы можем вычесть мешающие сигналы. Что касается того, что они имеют одинаковую яркость, то это не столько предположение, сколько понимание того, как появляются эти сверхновые. Конкретный процесс, который создает их, означает, что все они имеют примерно одинаковую массу и состав, когда они (*бум*) взрываются, и, следовательно, они имеют одинаковую светимость.

Это правда, что они могут двигаться с разными скоростями, и тогда вы получите доплеровский сдвиг поверх космологического. Однако, наблюдая близлежащие явления и нанося на карту их профили эмиссии водорода, мы можем определить приблизительную скорость сверхновой относительно соседних астрономических тел (например, сверхскопления, частью которого она является). Мы можем предположить, что сверхскопление имеет относительно нас только скорость удаления, но для большей точности у нас есть пара вариантов. Во-первых, мы усредняем по многим сверхновым, что означает, что ошибка от доплеровского смещения одной сверхновой усредняется по многим. Во-вторых, светимость зависит прежде всего от расстояния, которое проходит свет, и мы предполагаем, что он излучается изотропно. Это означает, что на расстояние светимости, которое мы измеряем, движение объекта существенно не влияет.

Используя красное смещение из профиля излучения и светимость, мы можем получить точное расстояние до сверхновой.

Измеряя множество сверхновых Типа 1а на разных расстояниях от нас, мы можем определить, какое красное смещение испытывает объект на данном расстоянии. Исходя из этого, мы можем сказать, что «Вселенная, следовательно, должна расширяться с приблизительной скоростью H километров в секунду на каждый мегапарсек между нами и объектом».

Более того, поскольку чем дальше вы смотрите, тем дальше в прошлое вы также смотрите, мы можем отобразить, насколько дополнительное расширение было на пройденное расстояние в прошлом. Это означает, что мы можем создать временной профиль. То есть «Вселенная расширялась со скоростью H в момент времени t в своей истории». Это также означает, что чем дальше находится сверхновая, которую мы измеряем, тем точнее она говорит нам о близком к нам профиле красного смещения. Из этого мы смогли увидеть, что Вселенная в настоящее время подвергается ускоренному расширению.

Тем не менее, вы обеспокоены тем, что идея о том, что Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях, может быть легко выброшена из окна? Помните, что мы делаем измерения от стандартных свечей, которые находятся во всех направлениях вокруг нас. Имея это в виду, на следующем рисунке показано измеренное красное смещение различных сверхновых типа 1а в зависимости от расстояния до сверхновых. Под всеми точками данных скрыта сплошная черная линия, которая представляет прогноз с использованием нашего теоретического профиля расширения, который имеет сферическую симметрию (модель предполагает, что расширение одинаково во всех направлениях).

Изображение предоставлено космологическим проектом Supernova. Точки — сверхновые, вертикальные линии — связанные с ними ошибки

В основном здесь проводятся два измерения: (i) красное смещение сверхновой (ii) пиковая яркость сверхновой (хотя последнее немного сложнее).

Расстояние определяется не по красному смещению, а по видимой яркости сверхновых. Рассматриваемые сверхновые относятся к типу Ia и действуют как «стандартные свечи» — предполагается, что все они имеют одинаковую собственную светимость (с некоторыми небольшими поправками), и, таким образом, локальные калибраторы с более точной оценкой расстояний могут использоваться для оценки расстояния до сверхновых на высокое красное смещение. Существует также предположение, что свет излучается изотропно (одинаково во все стороны). В этом случае поток от сверхновой подчиняется закону обратных квадратов с соответствующими изменениями, связанными с расширением Вселенной.

Чтобы оценить космологические параметры, два измерения обычно сравнивают с моделями на графике наблюдений, называемом «диаграммой Хаббла». Это имеет красное смещение по оси x (это величина, на которую свет объекта смещается в красную сторону из-за расширения Вселенной, измеряется по спектру и определяется выражением$z = \lambda/\lambda_0 - 1$, где$\lambda$- измеренная длина волны и$\lambda_0$длина волны в состоянии покоя). Это измерение чрезвычайно точное - обычно намного лучше, чем 1%. По оси Y отложена разница между видимой величиной и абсолютной величиной сверхновой. Как видно из полос погрешностей, это менее точно. Затем поверх них можно нанести модели расширяющейся Вселенной, чтобы увидеть, какая из них лучше всего соответствует.

Связь между расстоянием и красным смещением определяется «законом Хаббла».$v = H_0 d$, будет выглядеть на этом графике как прямая и работает только для относительно близких галактик (под этим я имею в виду достаточно далеких, чтобы они были частью однородного расширения без локальных эффектов, но не настолько далеких, чтобы постоянная Хаббла существенно изменился). Как видите, более далекие галактики подчиняются более сложному закону, потому что постоянная Хаббла - непостоянна; оно меняется с космическим временем таким образом, который зависит от замедления/ускорения расширения и, следовательно, от космологических параметров.

Чтобы ответить на ваш комментарий, который спрашивает об изотропии, нет абсолютно никаких доказательств того, что эти результаты зависят от того, в каком направлении вы смотрите - расширение одинаково во всех направлениях. Я не знаю какой-либо конкретной работы, в которой бы это рассматривалось в данных о сверхновых, но вот ссылка на статью, в которой появляется приведенный выше график, она содержит точки данных и положения сверхновых — попробуйте сами ( http : //arxiv.org/abs/1310.3828 ). Действительно, три человека получили Нобелевскую премию за сверхновые типа Ia, потому что их результаты совпали, несмотря на то, что они рассматривали разные образцы, предположительно в самых разных направлениях.