Ученые-астрофизики уже долгое время обсуждают скорость расширения Вселенной. Существующие методы измерения демонстрируют различные результаты, что создает противоречие, известное как «напряжение Хаббла». Это расхождение ставит под вопрос общепринятые модели устройства мироздания. Специалисты из NASA предложили оригинальное решение этой проблемы: они предлагают вывести на орбиту пять спутников, оснащенных атомными часами, и расположить их в различных точках Солнечной системы, чтобы создать масштабный измерительный прибор.
В 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил, что в спектрах многих галактик наблюдается космологическое красное смещение — явление, при котором тела отступают из-за расширяющегося пространства. На основании этих данных он пришел к заключению, что галактики раздаляются.
Со временем исследователь выявил закономерность: с увеличением расстояния до галактики красное смещение становится более заметным, а скорость её удаления – выше. Исходя из этого, астрофизик пришел к выводу, что Вселенная расширяется.
При проведении расчетов Хаббл использовал коэффициент пропорциональности, который он сам определил и который устанавливает зависимость между расстоянием до небесного тела и скоростью его удаления. Этот показатель получил название «постоянной Хаббла». Первоначальное значение было определено Хабблом с большой неопределенностью, что объяснялось недостаточной точностью доступных тогда способов измерения расстояний.
Современные исследования направлены на более точное определение постоянной Хаббла, что позволит более уверенно измерять расстояния до галактик и их скоплений. Уточнение этого параметра необходимо для решения ряда важных задач в космологии, в частности, для более точного расчета возраста Вселенной.
В настоящее время скорость расширения Вселенной определяют двумя главными методами. Один из них предполагает изучение светимости далёких объектов. Учёные идентифицируют галактики, в которых произошли взрывы сверхновых типа Ia, и, основываясь на их яркости и спектральных особенностях, вычисляют расстояние до них и величину скорости расширения.
Второй подход предполагает изучение характеристик космического микроволнового фона, известного как реликтовое излучение. Оно сформировалось в эпоху рекомбинации, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, и равномерно распределено по всей Вселенной.
Основная трудность состоит в том, что применение каждого из подходов дает различные результаты ( «хаббловское напряжение»). По первому методу постоянная Хаббла оценивается в 73 километра в секунду на мегапарсек, а по второму — в 67 километров в секунду на мегапарсек. Усовершенствование телескопического оборудования приводит к дальнейшей корректировке этих оценок. В настоящее время для вычислений обычно используется среднее значение, составляющее около 70 километров в секунду на мегапарсек, однако это не устраняет существующую проблему.
Невозможность определения точного значения постоянной Хаббла остается одним из наиболее обсуждаемых вопросов в современной астрономии. Причиной может быть наличие неизвестных факторов, систематически влияющих на результаты измерений, или же это указывает на необходимость открытия новых физических принципов.
В любом случае ученые продолжают поиски решений, направленных на преодоление этой проблемы.
В NASA разработали проект, предусматривающий запуск пяти спутников, оснащенных усовершенствованной системой измерения, которая позволит разрешить проблему, известную как «хаббловское напряжение». Информация об этом была опубликована в научной статье, опубликованной на сайте препринтов arXiv.
Проект получил название «Космическая система позиционирования». Он представляет собой сеть из пяти спутников, расположенных равномерно по всей Солнечной системе. Расстояние между ними весьма значительно — от 20 до 100 астрономических единиц.
Группа из пяти спутников сформирует масштабный измерительный прибор. Они будут функционировать как сплоченный телескоп: принимать сигналы от удалённых объектов и регистрировать разницу во времени их поступления. Это позволит исследователям с высокой степенью точности определять местоположение космических объектов, измерять до них расстояния и уточнять скорость расширения Вселенной, минимизируя при этом значительные ошибки.
Реализация данной концепции потребует от инженеров решения ряда серьезных технических задач. Предусматривается, что каждый спутник будет оборудован антенной диаметром от восьми до девяти метров. Такая конструкция не сможет быть размещена в стандартных обтекателях ракет, поэтому антенну необходимо сделать складной и развернуть после вывода на орбиту.
Для обеспечения работы данных антенн потребуется их охлаждение до отметки в 20 кельвинов. Значительное удаление от Солнца позволит уменьшить температуру, однако без применения специализированной системы охлаждения, скорее всего, не удастся достичь необходимого результата.
Радиосистема спроектирована для приема чрезвычайно слабых сигналов, включая отдельные фотоны в оптическом (инфракрасном) диапазоне или очень слабые радиосигналы, например, быстрые радиовсплески.
Любое электронное устройство и сама антенна генерируют собственное тепловое излучение. С повышением температуры увеличивается интенсивность теплового шума, который способен заглушить полезный сигнал.
Охлаждение антенны до температуры около 20 кельвинов позволит значительно уменьшить уровень собственного излучения. Это приведет к снижению фонового шума и повысит точность определения времени прохождения сигнала. Для проекта, требующего фиксации различий в долях наносекунды на расстояниях до ста астрономических единиц, данный фактор имеет решающее значение.
Основой проекта являются высокоточные часы. Ученые предлагают использовать оборудование соответствующего Deep Space Atomic Clock от NASA. Эти атомные часы уже летали в космос во время миссии STP-2 с 2019 по 2021 год.
Для выполнения новой миссии их потребуется значительно сократить и оптимизировать с точки зрения энергопотребления. Из-за недостаточного количества солнечного света на окраинах Солнечной системы необходимо будет экономить энергию. Предположительно, каждый спутник будет оборудован радиоизотопными термоэлектрическими генераторами – устройствами, преобразующими тепло, выделяемое при распаде радиоактивного вещества, в электричество. Они функционируют непрерывно и не требуют внешнего освещения.
Данная энергия также необходима для высокоточной обработки сигналов. Спутники должны принимать слабые сигналы из космоса, чтобы избежать их потери, и оперативно, с высокой точностью, преобразовывать их в цифровой формат. Для этого применяются высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи, которые осуществляют оцифровку всего диапазона сигнала, после чего данные передаются на Землю для анализа.
Определение скорости расширения Вселенной является ключевой, однако не единственной целью проекта. Благодаря сети из пяти спутников, станет возможным решение и других задач. Исследователи смогут изучить распределение темной материи, наблюдая за изменениями в сигналах быстрых радиовсплесков.
По словам исследователей, система обладает возможностью регистрировать гравитационные волны в области низких частот (наногерцы). В первую очередь, это касается сигналов, генерируемых сверхмассивными двойными черными дырами — области, которая остается практически неизученной.
Небольшие корректировки гравитационного воздействия самих аппаратов позволят более точно определить массу и гравитационные характеристики пояса Койпера. Одновременно можно будет проверить гипотезу о наличии Девятой планеты, поскольку, если она и существует на границе Солнечной системы, ее гравитационное воздействие должно проявляться в движении аппаратов.
Проект «Космическая система позиционирования» на данный момент существует лишь в виде концепции. Разработчики подчеркнули, что после внесения необходимых изменений система представляется технически осуществимой. Теперь ключевым фактором станет поиск инвестора, который возьмет на себя финансирование ее дальнейшего развития.