В последние несколько лет ряд противоречий потряс устоявшуюся область космологии. Если коротко, то предсказания стандартной модели Вселенной, похоже, противоречат некоторым недавним наблюдениям.
Ведутся жаркие дебаты о том, являются ли эти наблюдения предвзятыми, или космологическая модель, которая предсказывает структуру и эволюцию всей Вселенной, нуждается в пересмотре. Некоторые даже утверждают, что космология находится в кризисе. Сейчас мы не знаем, какая сторона победит. Но, что волнующе, мы находимся на грани того, чтобы это выяснить.
Справедливости ради, противоречия – это нормальный ход научного метода. И на протяжении многих лет стандартная космологическая модель имела свою долю таких противоречий. Эта модель предполагает, что Вселенная состоит из 68,3% “темной энергии” (неизвестное вещество, вызывающее ускорение расширения Вселенной), 26,8% темной материи (неизвестная форма материи) и 4,9% обычных атомов, что очень точно измерено по космическому микроволновому фону – остаточному излучению от Большого взрыва.
Модель очень успешно объясняет множество данных как в больших, так и в малых масштабах Вселенной. Например, она может объяснить такие вещи, как распределение галактик вокруг нас и количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые несколько минут существования Вселенной. Возможно, самое главное, она также может идеально объяснить космический микроволновый фон.
Это привело к тому, что она приобрела репутацию “согласованной модели”. Но идеальный шторм несогласованных измерений – или “напряжений”, как их называют в космологии – теперь ставит под сомнение достоверность этой давней модели.
Неудобные противоречия
Стандартная модель делает определенные предположения о природе темной энергии и темной материи. Но, несмотря на десятилетия интенсивных наблюдений, мы, похоже, все еще не приблизились к пониманию того, из чего состоят темная материя и темная энергия.
Лакмусовой бумажкой является так называемое напряжение Хаббла. Оно связано с постоянной Хаббла, которая представляет собой скорость расширения Вселенной в настоящее время. При измерении в нашей близкой, локальной Вселенной, по расстоянию до пульсирующих звезд в близлежащих галактиках, называемых цефеидами, ее значение составляет 73 км/с/Мегапарсек (Мпк – единица измерения расстояний в межгалактическом пространстве). Однако при теоретическом прогнозировании значение составляет 67,4 км/с/Мпк. Разница может быть небольшой (всего 8%), но она статистически значима.
Напряжение Хаббла стало известно около десяти лет назад. Тогда считалось, что наблюдения могли быть предвзятыми. Например, цефеиды, хотя и очень яркие и легко различимые, были скучены вместе с другими звездами, что могло сделать их еще ярче. Это могло сделать постоянную Хаббла на несколько процентов выше по сравнению с предсказанием модели, тем самым искусственно создав напряжение.
С появлением космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который может различать звезды по отдельности, появилась надежда, что мы получим ответ на это противоречие. К сожалению, этого пока не произошло. Астрономы теперь используют два других типа звезд помимо цефеид (известные как звезды вершины ветви красных гигантов (TRGB) и звезды J-области асимптотической ветви гигантов (JAGB)). Но в то время как одна группа сообщила о значениях от звезд JAGB и TRGB, которые заманчиво близки к значению, ожидаемому от космологической модели, другая группа утверждает, что они все еще видят несоответствия в своих наблюдениях. Между тем, измерения цефеид продолжают показывать напряжение Хаббла.
Важно отметить, что хотя эти измерения очень точны, они все еще могут быть искажены некоторыми эффектами, уникально связанными с каждым типом измерений. Это повлияет на точность наблюдений по-разному для каждого типа звезд. Точное, но неаккуратное измерение подобно попытке вести разговор с человеком, который постоянно упускает суть. Чтобы разрешить разногласия между противоречивыми данными, нам нужны измерения, которые являются как точными, так и аккуратными.
Хорошая новость заключается в том, что напряжение Хаббла сейчас является быстро развивающейся историей. Возможно, у нас будет ответ на него в течение следующего года или около того. Повышение точности данных, например, путем включения звезд из более далеких галактик, поможет разобраться в этом. Аналогично, измерения волн пространства-времени, известных как гравитационные волны, также смогут помочь нам точно определить константу.
Все это может подтвердить стандартную модель. Или это может намекать на то, что в ней чего-то не хватает. Возможно, природа темной материи или то, как гравитация ведет себя в определенных масштабах, отличается от того, во что мы верим сейчас. Но прежде чем отвергать модель, нужно поразиться ее непревзойденной точности. Она промахивается максимум на несколько процентов, экстраполируя более 13 миллиардов лет эволюции.
Чтобы поставить это в перспективу, даже часовые движения планет в Солнечной системе можно надежно вычислить только менее чем на 1 миллиард лет, после чего они становятся непредсказуемыми. Стандартная космологическая модель – это экстраординарная машина.
Напряжение Хаббла – не единственная проблема для космологии. Другая, известная как “напряжение S8”, также вызывает проблемы, хотя и не в том же масштабе. Здесь у модели проблема с гладкостью: она предсказывает, что материя во Вселенной должна быть более кластеризованной, чем мы наблюдаем на самом деле – примерно на 10%. Существуют различные способы измерения “комковатости” материи, например, путем анализа искажений света от галактик, производимых предполагаемой темной материей, вмешивающейся на линии обзора.
В настоящее время в научном сообществе, похоже, существует консенсус, что необходимо разобраться с неопределенностями в наблюдениях, прежде чем отвергать космологическую модель. Один из возможных способов ослабить это напряжение – лучше понять роль газовых ветров в галактиках, которые могут выталкивать часть материи, делая ее более гладкой.
Понимание того, как измерения комковатости на малых масштабах соотносятся с измерениями на больших масштабах, помогло бы. Наблюдения также могут указывать на необходимость изменения нашей модели темной материи. Например, если вместо того, чтобы состоять полностью из холодных, медленно движущихся частиц, как предполагает стандартная модель, темная материя может быть смешана с некоторыми горячими, быстро движущимися частицами. Это могло бы замедлить рост комковатости в поздние космические времена, что облегчило бы напряжение S8.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) выявил другие проблемы для стандартной модели. Одна из них заключается в том, что ранние галактики кажутся гораздо более массивными, чем ожидалось. Некоторые галактики могут весить столько же, сколько Млечный Путь сегодня, хотя они сформировались менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва, что предполагает, что они должны быть не такими массивными.
Однако последствия для космологической модели в этом случае менее ясны, так как могут быть другие возможные объяснения этих удивительных результатов. Ключом к решению этой проблемы является улучшение измерения звездных масс в галактиках. Вместо того, чтобы измерять их напрямую, что невозможно, мы выводим эти массы из света, излучаемого галактиками.
Этот шаг включает некоторые упрощающие предположения, которые могут привести к переоценке массы. Недавно также было высказано предположение, что часть света, приписываемого звездам в этих галактиках, генерируется мощными черными дырами. Это означало бы, что эти галактики могут быть не такими массивными, как предполагалось ранее.
Новая физика на горизонте?
Сейчас космология находится на переломном моменте. Мы либо подтвердим стандартную модель, либо откроем новую физику. Это захватывающее время для космологов.
Наблюдения, которые мы обсуждали, могут указывать на необходимость модификации нашего понимания темной энергии или темной материи. Например, темная энергия может быть не постоянной, как предполагает стандартная модель, а меняться со временем. Или темная материя может взаимодействовать с обычной материей более сложным образом, чем мы думали.
Некоторые космологи даже предполагают, что нам может понадобиться модифицировать теорию гравитации Эйнштейна на очень больших масштабах. Это радикальное предложение, учитывая, насколько успешной была Общая теория относительности в объяснении многих космологических явлений.
Однако важно помнить, что стандартная модель все еще объясняет подавляющее большинство наблюдений с впечатляющей точностью. Любые изменения, которые мы внесем в модель, должны будут сохранить эти успехи, одновременно объясняя новые наблюдения.
Будущее космологии выглядит ярким. Новые наблюдательные миссии, такие как спутник Euclid Европейского космического агентства и наземный телескоп Vera C. Rubin в Чили, скоро начнут работу. Они предоставят беспрецедентно точные измерения распределения материи во Вселенной и темпов ее расширения.
Эти новые данные помогут нам разрешить текущие противоречия и, возможно, укажут путь к новой физике. Независимо от того, подтвердят ли они стандартную модель или приведут к ее пересмотру, результаты обещают быть захватывающими.
Космология находится на пороге потенциально революционных открытий. Мы живем в золотой век космологических исследований, и следующие несколько лет могут изменить наше понимание Вселенной.
Читайте также: Может ли Земля находиться внутри черной дыры?
