Впервые удалось напрямую измерить расстояние до далекой галактики

Ученые не умеют измерять расстояния до далеких галактик напрямую – ни линейкой, ни радаром дотянуться за пределы Солнечной системы еще не получалось. Поэтому большинство методов измерения расстояний – косвенные, основанные, как правило, на блеске некоторых объектов, истинная светимость которых известна.

Стандартные свечи

Как правило, такие объекты называют стандартными свечами. Самые ходовые из них – цефеиды, гигантские пульсирующие звезды, среднюю истинную светимость которых можно очень точно определить по периоду изменения блеска. Период колебаний (и истинную светимость), равно как и средний видимый блеск, несложно определить с Земли, а дальше остается лишь вычислить, на каком расстоянии звезда заданной светимости будет иметь измеренный блеск. Если цефеида лежит в какой-то галактике, это и будет расстояние до последней.

Разглядеть цефеиды в далеких галактиках уже не получается, и в дело вступают другие «стандартные свечи» – самые яркие звезды галактики, а еще дальше – взрывы сверхновых типа Ia, которые все имеют примерно одинаковую (с точностью около 20%) истинную светимость. Однако напрямую измерить расстояния до таких взрывов еще не получалось, так что их блеск калибруют по относительно близким галактикам, где случались взрывы сверхновых, но еще видны цефеиды. Так выстраивается следующая ступенька лестницы космических расстояний, в которой сверхновые опираются на цефеиды.

Вселенная Хаббла

За ней следует уже по-настоящему космологическая ступенька – расстояние до объектов определяют по скорости их удаления от нас. Вселенная расширяется как целое, и чем дальше находится от нас какой-то объект, тем быстрее это расширение. Этот закон носит имя американского астронома Эдвина Хаббла, в честь которого, кстати, назван и знаменитый космический телескоп. Поэтому по скорости удаления галактик от нас можно определить и расстояние до них.

Величина, которая связывает скорость и расстояние, называется постоянной Хаббла, H₀. Она же определяет размер горизонта нашей Вселенной, на котором эта скорость разбегания достигает скорости света. Разумеется, та же величина определяет и возраст нашей Вселенной.

Но чтобы определить постоянную Хаббла, необходимо измерить одновременно и скорость, и расстояние у нескольких галактик, участвующих в хаббловском расширении. Со скоростью проблем нет – она легко вычисляется по допплеровскому сдвигу линий в спектре объекта. А вот расстояние надо получить независимым способом.

Более того, определить его до сих пор можно было лишь по взрывам сверхновых типа Ia, потому что близкие галактики, где применимы другие методы, имеют слишком маленькую скорость, которая теряется на фоне случайных скоростей, связанных с взаимодействием галактик друг с другом. В реальности закон Хаббла начинает работать без заметных отклонений лишь на расстояниях в 30-40 миллионов световых лет от Земли.

Вот и получается, что наши знания о возрасте Вселенной и скорости расширения мира опираются на несколько ступеней космологической лестницы расстояний. Постоянная Хаббла определяется по взрывам сверхновых, мощность этих взрывов – по блеску цефеид. А вот цефеидная ступенька последние десять лет опирается на прямое измерение расстояния до галактики NGC4258, или M106.

Прямое измерение

В центре галактики NGC4258 находится черная дыра, вокруг которой движется диск вещества, которому суждено рано или поздно поглотиться черной дырой. А в диске, в свою очередь, присутствуют облака, содержащие молекулы воды, которые перерабатывают коротковолновое излучение галактического ядра в очень яркое свечение в радиодиапазоне на строго определенной частоте. Такие источники называют водными мегамазерами (принцип их действия не отличается от работы лазера), а спектральные линии их свечения настолько тонкие, что по допплеровскому сдвигу можно очень точно определить скорость вращения диска.

А дальше главный трюк: облака движутся по круговым орбитам, испытывая центростремительное ускорение к черной дыре. Поэтому скорости отдельных облаков медленно меняются, что вызывает заметный на масштабах месяцев и лет сдвиг мазерных линий в спектре. В свою очередь, центростремительное ускорение связано со скоростью и радиусом вращения школьной формулой, что и позволяет определить истинный, выраженный в сантиметрах (или парсеках, как кому нравится), радиус орбиты облака – поделите квадрат скорости на ускорение. Так как массивы радиотелескопов могут легко разглядеть отдельные облака, то, чтобы получить прямое геометрически измеренное расстояние до галактики, достаточно поделить истинный радиус на угол, под которым он виден с Земли.

Новый галактический мазер

Успех с NGC4258 подтолкнул астрономов к поискам мазеров в ядрах других галактик, и в прошлом году один такой источник радиоизлучения большой яркости удалось найти в активной галактике UGC3789. Ученые под руководством Джеймса Браатца из американской Национальной радиоастрономической обсерватории тогда сразу же измерили скорость вращения и угловой диаметр диска вещества, кружащегося вокруг центральной черной дыры массой около 10 миллионов солнечных. Свои результаты они опубликовали в Astrophysical Journal (arXiv:0811.4345).

А вот чтобы измерить центростремительное ускорение, пришлось подождать почти полгода, пока изменение скорости водяных облаков достигнет заметных значений. В понедельник вечером на 214-й встрече Американского астрономического общества в Пасадене Браатц от имени своих американских и германских коллег представил результаты. По их данным, расстояние до UGC3789 – около 160 миллионов световых лет. На таких масштабах расширение уже с высокой степенью точности описывается хаббловским законом. Так что отсюда тут же следует прямое, независимое ни от каких цефеид и сверхновых измерение постоянной Хаббла. H₀ оказалось равным 71 км/с на мегапарсек; соответственно, возраст нашего мира – около 13,7 миллиарда лет.

Правда, точность этого измерения пока составляет около 17%, так что предыдущие значения следует писать скорее как 60-80 км/с/Мпк и 12-15 миллиардов лет. Примерно такова же точность определения этих величин другими методами, если заранее не вводить в модель предположение евклидовой геометрии нашего мира. Тем не менее в данном случае точность будет расти. Облака в диске вокруг черной дыры повернутся еще чуть-чуть, и ускорение станет заметнее.

Тем временем Браатц и его коллеги принимаются за новые наблюдения – внегалактических мазеров известно около сотни, и десять из них – в списке первоочередных задач американо-германской команды.