Действительно ли гравитация слабее на расстояниях в миллиарды световых лет?
Теория гравитации Эйнштейна – краеугольный камень современной космологии. Она неоднократно проверялась, доказывала свою состоятельность и подтверждалась открытием бесчисленных космических феноменов: от гравитационного линзирования, обнаруженного Артуром Эддингтоном в 1919 году, и аномалий в орбите Меркурия до красного смещения галактик и гравитационных волн. Общая теория относительности – именно так официально называется теория гравитации Эйнштейна – точно предсказала их все.
Однако астрономические наблюдения вблизи “космологического горизонта”, где самые далекие галактики удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света, предполагают, что гравитация может действовать иначе на самых больших масштабах.
Сейчас некоторые ученые предлагают усовершенствовать теорию гравитации Эйнштейна, добавив простое “примечание” к его уравнениям, которое объясняет этот “космический сбой” в научном понимании гравитации.
Космолог Найеш Афшорди – ведущий автор недавнего исследования, опубликованного в “Журнале космологии и физики астрономических частиц”, где описывается эта модель “космического сбоя” как дополнение к теории гравитации Эйнштейна. Он и его коллеги предполагают, что их примечание не только объяснит наблюдаемые крупномасштабные расхождения, но и поможет снять другие “напряжения” в астрономии, где предсказания лучших теорий не согласуются с астрономическими наблюдениями, включая скорость расширения Вселенной и обилие сверхскоплений галактик.
“С точки зрения наблюдений, эти аномалии в данных существуют уже более десяти лет”, – говорит Афшорди, профессор астрофизики в Канадском университете Ватерлоо и исследователь в Институте Периметра.
В последние десятилетия ученые предприняли десятки попыток модифицировать эйнштейновскую гравитацию, чтобы лучше согласовать ее с наблюдениями. Одной из них является теория “массивной гравитации”, предложенная Клаудией де Рам, физиком-теоретиком из Имперского колледжа Лондона.
Другая – MOND, которая применяет модифицированную ньютоновскую динамику и была разработана как альтернатива теориям темной материи; кроме того, существует несколько ранних теорий темной энергии, которые предполагают, что темная энергия, которая, как считается, движет расширением Вселенной, была намного сильнее в первые 100 000 лет после Большого взрыва.
В отличие от этих других теорий, основанных на расхождениях в данных, модель космического сбоя вытекает из конкретных фундаментальных теоретических проблем эйнштейновской гравитации, разработанных в последние десятилетия, говорит Афшорди. К этим проблемам относятся предложение Хоравы-Лифшица – идея о том, что квантовая гравитация работает иначе при высоких энергиях – и концепция эфира Эйнштейна, которая вновь вводит динамическую форму “эфира”, которую Эйнштейн стремился исключить.
“Это подход “сверху вниз”, – говорит Афшорди об их теории космического сбоя. Только после того, как они разработали свою теорию для согласования этих теоретических вопросов, они решили посмотреть, соответствует ли она данным наблюдений космического телескопа “Планк”, который изучал космический микроволновый фон с 2009 по 2013 год.
Афшорди говорит, что результаты были замечательными. Обычное значение гравитационной постоянной в уравнениях поля Эйнштейна – основных математических уравнениях общей теории относительности – может точно объяснить почти все, что наблюдается в космосе, говорит он. Но уравнения поля, связанные с наблюдениями, проведенными на космологическом горизонте, по-видимому, требуют другого значения гравитационной постоянной.
По словам коллеги и соавтора Афшорди Робина Вэня, недавнего выпускника Университета Ватерлоо, а ныне докторанта Калифорнийского технологического института, эффект заключается в том, что гравитация становится примерно на 1 процент слабее на расстояниях в миллиарды световых лет.
Исследователи обнаружили, что применение их модели космического сбоя также снижает два важных напряжения в астрономии. Наиболее заметным из них является знаменитое хаббловское напряжение: расхождение в значениях постоянной Хаббла, числа, представляющего скорость расширения Вселенной. Наблюдения космического микроволнового фонового излучения дают одно значение постоянной Хаббла, в то время как наблюдения, основанные на “стандартных свечах” сверхновых в далеких галактиках, дают другое.
Модель космического сбоя также уменьшает ключевой компонент “напряжения кластеризации”, которое измеряет неожиданное обилие сверхскоплений галактик во Вселенной.
В то же время, однако, модель космического сбоя ухудшает точность предсказаний барионных акустических осцилляций, или BAO, – фактически “ряби” в средних расстояниях между галактиками, которые, по-видимому, были вызваны волнами давления, генерируемыми во время формирования ранней Вселенной. Но авторы надеются, что расхождения в BAO можно улучшить с помощью более совершенного моделирования и наблюдений.
Афшорди говорит, что в течение следующих нескольких лет обсерватория CMB Stage 4 и космический телескоп “Евклид” должны собрать новые данные о космическом микроволновом фоне и миллиардах галактик на протяжении 10 миллиардов световых лет, но с точностью в четыре раза большей, чем та, которую Афшорди и его коллеги использовали в своих расчетах. Если космический сбой существует, этого будет достаточно, чтобы выявить его, говорит он.
Читайте также: Регион Томбо: моделирование объясняет загадочное сердце Плутона и гравитационную аномалию
