В самом сердце современной космологии зияет трещина. Это не просто мелкое расхождение в цифрах, а фундаментальный раскол, известный как «напряжение Хаббла». Два самых надежных способа измерить скорость расширения Вселенной дают разные, несовместимые друг с другом ответы. С одной стороны — реликтовое излучение, эхо Большого взрыва, которое говорит нам, что Вселенная расширяется с одной скоростью. С другой — наблюдения за сверхновыми и пульсирующими звездами в нашем космическом «соседстве», которые настаивают на совершенно другой, более высокой скорости.
Этот парадокс заставил астрофизиков по всему миру ломать головы. Может, мы чего-то не понимаем в темной энергии? Или в самой гравитации? Или, возможно, ответ гораздо проще и в то же время удивительнее: что, если проблема не в законах физики, а в нашем местоположении? Новое исследование Индранила Баника и Василиоса Калаицидиса из университетов Портсмута и Сент-Эндрюса, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предлагает убедительные доказательства в пользу именно этой гипотезы. Похоже, мы живем внутри гигантского космического пузыря — области с пониженной плотностью материи, и именно этот факт может быть ключом к разгадке.
Содержание
Два взгляда на Вселенную
Чтобы понять суть проблемы, представьте, что вы пытаетесь определить возраст старого дерева. Один способ — спилить его и посчитать годовые кольца. Это даст точный, но «исторический» ответ. Другой способ — измерить, как быстро оно растет прямо сейчас, и экстраполировать назад. В идеальном мире оба метода дали бы одинаковый результат. А вот что происходит в космологии.
Первый метод («ранняя Вселенная»): Космический микроволновый фон (CMB) — это, по сути, «детская фотография» Вселенной, сделанная всего через 380 000 лет после Большого взрыва. Анализируя мельчайшие колебания температуры на этой карте, ученые с помощью стандартной космологической модели (ΛCDM) могут предсказать, как Вселенная должна была эволюционировать и с какой скоростью она должна расширяться сегодня. Космический телескоп «Планк» провел самые точные измерения CMB, и его вердикт таков: постоянная Хаббла (H₀) составляет примерно 67.4 км/с на мегапарсек.
Второй метод («поздняя Вселенная»): Этот подход основан на прямых измерениях расстояний до галактик и их скоростей удаления. Используя «стандартные свечи» — объекты с известной светимостью, такие как сверхновые типа Ia и цефеиды, — астрономы строят «лестницу космических расстояний». Самые точные измерения, проведенные под руководством нобелевского лауреата Адама Рисса, дают значение H₀ около 73.2 км/с на мегапарсек.
Разница в 9% может показаться небольшой, но с учетом высокой точности обоих методов она является статистически колоссальной. Вероятность того, что это случайность, ничтожно мала. Это означает, что либо модель ΛCDM неполна, либо один из методов измерения содержит скрытую системную ошибку.
Пустота Кинана-Баргера-Коуи (KBC)
В научном мире существует гипотеза о «локальной пустоте». Что, если наша галактика Млечный Путь, вместе с сотнями тысяч соседних галактик, находится внутри гигантской области пространства, где плотность материи значительно ниже средней по Вселенной? Такая структура, известная как войд KBC (по фамилиям открывших ее астрономов), действительно была обнаружена при подсчете галактик. Ее размеры поражают — около 300 мегапарсек в радиусе, а плотность примерно на 20% ниже нормы. Мы, по-видимому, находимся относительно близко к ее центру.
Как это может повлиять на измерения? Гравитация заставляет материю перемещаться из областей с низкой плотностью в области с высокой. Если мы находимся внутри такой «пустоты», то из нее будет исходить гравитационно обусловленный «ветер» — отток материи наружу. Этот отток придает близлежащим галактикам дополнительную скорость, направленную от нас. Когда мы измеряем их красное смещение, мы интерпретируем его как чисто космологическое расширение и, как следствие, завышаем значение постоянной Хаббла. Далекие же галактики, находящиеся за пределами войда, этого эффекта не испытывают.
Таким образом, гипотеза о локальной пустоте элегантно объясняет, почему «местные» измерения H₀ дают более высокое значение, чем предсказания, основанные на данных о ранней Вселенной. Она не требует пересмотра фундаментальных законов физики, а лишь признает, что наше космическое окружение не является идеально однородным.
Космическая линейка барионных акустических осцилляций
Но как проверить эту гипотезу независимо? С помощью одного из самых мощных инструментов современной космологии — барионных акустических осцилляций (БАО).
В ранней Вселенной, когда материя и излучение были единой горячей плазмой, в ней распространялись звуковые волны, подобные ряби на воде от брошенного камня. Когда Вселенная остыла достаточно для образования нейтральных атомов (в момент излучения CMB), эти волны «застыли». Они оставили отпечаток — характерный, предпочтительный масштаб в распределении материи. Галактики с большей вероятностью образуются на определенном расстоянии друг от друга, чем на чуть большем или чуть меньшем.
Это расстояние, около 150 мегапарсек (или 500 миллионов световых лет), служит нам «стандартной линейкой». Зная ее истинный физический размер из физики ранней Вселенной, мы можем измерить ее видимый угловой размер в небе на разных расстояниях (разных красных смещениях, z). Это позволяет с высочайшей точностью картировать историю расширения Вселенной, совершенно независимо от сверхновых и CMB. БАО — это чистый и непредвзятый летописец космической истории.
Проверка гипотезы на прочность
Именно этот инструмент Баник и Калаицидис использовали для проверки гипотезы о локальной пустоте. Их логика была проста, но эффективна:
- Взять существующие модели войда (разработанные в предыдущей работе), которые были откалиброваны так, чтобы разрешить напряжение Хаббла. Эти модели предсказывают, как именно присутствие войда должно искажать наблюдаемые расстояния.
- Собрать самый полный на сегодняшний день каталог измерений БАО за последние 20 лет, используя данные крупнейших астрономических обзоров, таких как SDSS и DESI.
- Сравнить эти реальные данные с двумя предсказаниями:
- Прогноз стандартной модели (ΛCDM): Как должна выглядеть «космическая линейка» БАО в идеально однородной Вселенной с параметрами от «Планка».
- Прогноз моделей с войдом: Как должна выглядеть та же линейка, если мы наблюдаем ее изнутри локальной пустоты.
Ключевой момент: данные БАО не использовались при создании моделей войда. Это делает их идеальным независимым полигоном для испытаний.
Данные БАО указывают на пустоту
Результаты исследования оказались поразительными. «Космическую линейку» БАО можно измерять двумя способами: поперек луча зрения (угловой размер, D_c) и вдоль него (глубина по красному смещению, D_H). Однако наиболее точным и надежным является их изотропное среднее — величина D_v, которая фактически измеряет «объем» стандартной БАО-сферы.
Когда учёные построили график отношения наблюдаемого D_v к ожидаемому в стандартной модели, картина стала предельно ясной. В стандартной модели это отношение должно быть равно единице на всех красных смещениях. Однако данные показали иное. На больших расстояниях (высоких z) данные действительно группируются вокруг единицы. Но по мере приближения к нам (на низких z) точки систематически «ныряют» вниз, отклоняясь от предсказаний стандартной модели.
А самое главное — куда именно они «ныряют»? Прямо на кривые, предсказанные тремя различными моделями локального войда. Совпадение было почти идеальным.
Чтобы выразить это на языке статистики, исследователи использовали критерий хи-квадрат (χ²), который оценивает качество соответствия модели данным.
- Стандартная модель (без войда): Показала общее напряжение с данными БАО на уровне 3.8σ (сигма). Это означает, что вероятность такого расхождения по чистой случайности составляет менее 0.02%. Модель явно плохо описывает наблюдения.
- Модели с войдом: Напряжение драматически снизилось до 1.1-1.3σ. Это значение находится в пределах ожидаемых статистических флуктуаций и означает прекрасное согласие с данными.
Проще говоря, модель, в которой мы живем в однородной Вселенной, находится в серьезном противоречии с лучшими измерениями ее геометрии. А модель, в которой мы живем в центре локальной космической пустоты, блестяще их объясняет. Гипотеза, выдвинутая для решения одной проблемы (напряжение Хаббла), неожиданно оказалась подтверждена совершенно независимыми данными (БАО). Это и есть то «убедительное доказательство», которого так долго ждали сторонники этой идеи.
Не надо усложнять
Это исследование — один из самых весомых аргументов в пользу того, что напряжение Хаббла — это не признак экзотической новой физики, а следствие нашего локального космического окружения. Оно предполагает, что нам не нужно изобретать новые формы темной энергии или переписывать теорию Эйнштейна. Возможно, достаточно просто признать, что Вселенная в масштабах сотен миллионов световых лет не так однородна, как мы привыкли думать.
Этот результат ставит под сомнение альтернативные объяснения, например, идею о том, что темная энергия меняет свои свойства со временем. Хотя такие модели могут подогнать данные БАО, они часто усугубляют другие космологические проблемы. Решение с локальным войдом выглядит более изящным, поскольку оно одним махом решает сразу несколько загадок: объясняет завышенное значение H₀, согласуется с подсчетами галактик и, как теперь выяснилось, предсказывает аномалии в данных БАО.
Конечно, это еще не конец истории. Ученые подчеркивают, что для окончательного подтверждения гипотезы необходимы еще более точные измерения БАО на очень низких красных смещениях — то есть, в непосредственной близости от нас, где эффекты войда должны быть максимальными. Это чрезвычайно сложная задача из-за огромного углового размера БАО на небе для близких объектов, но будущие обзоры, такие как DESI, продолжат собирать данные.
Тем не менее, работа Баника и Калаицидиса — это важный шаг вперед. Она рисует захватывающую картину, в которой один из величайших кризисов современной физики может быть разрешен простым, но глубоким осознанием нашего собственного места во Вселенной. Возможно, мы не живем в «типичном» месте. Мы — обитатели тихого, малонаселенного уголка в грандиозной космической паутине. И понимание этого факта может изменить наш взгляд на всю Вселенную.
Читайте также: Теория “космического синяка” и столкновение двух вселенных
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.