В последние годы устоявшаяся область космологии потрясена рядом противоречий. Короче говоря, предсказания Стандартной модели Вселенной, похоже, противоречат некоторым недавним наблюдениям.
Ведутся жаркие споры о том, являются ли эти наблюдения предвзятыми или же необходимо пересмотреть космологическую модель, предсказывающую структуру и эволюцию всей Вселенной. Некоторые даже утверждают, что космология находится в кризисе. На данный момент мы не знаем, какая сторона победит. Но что интересно, мы близки к тому, чтобы это выяснить.
Честно говоря, полемика — это нормальный ход научного метода. И на протяжении многих лет Стандартная модель космологии сыграла свою роль. Эта модель предполагает, что Вселенная на 68,3% состоит из «темной энергии» (неизвестного вещества, ускоряющего расширение Вселенной), на 26,8% из темной материи (неизвестной формы материи) и на 4,9% состоит из обычных атомов, которое было очень точно измерено с помощью космического микроволнового фонового излучения — послесвечения излучения Большого взрыва.
Она очень успешно объясняет широкий спектр данных как в больших, так и в малых масштабах Вселенной. Например, это может объяснить такие вещи, как распределение галактик вокруг нас и количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые минуты существования Вселенной. И, возможно, самое главное, это также может прекрасно объяснить космическое микроволновое фоновое излучение.
Это заслужило репутацию «модели согласования». Но настоящий шторм противоречивых измерений – или «напряжений», как их называют в космологии – теперь ставит под сомнение достоверность этой давней модели.
Некомфортное напряжение
Стандартная модель делает определенные предположения о природе темной энергии и темной материи. Но, несмотря на десятилетия интенсивных наблюдений, мы, похоже, так и не приблизились к выяснению того, из чего состоят темная материя и темная энергия.
Лакмусовой бумажкой является так называемое напряжение Хаббла. Это относится к постоянной Хаббла, которая представляет собой скорость расширения Вселенной в настоящее время. Измеренная в нашей ближайшей локальной Вселенной от расстояния до пульсирующих звезд в близлежащих галактиках, так называемых цефеидах, ее значение составляет 73 км/с/мегапарсек (Мпк — единица измерения расстояний в межгалактическом пространстве). Однако теоретически предсказанное значение составляет 67,4 км/с/Мпк. Разница невелика (всего 8%), но статистически значима.
О напряженности Хаббла стало известно около десяти лет назад. В то время считалось, что наблюдения могли быть искажены. Поэтому, хотя цефеиды были очень яркими и их было легко увидеть, их окружали другие звезды, из-за чего они казались еще ярче. Это могло бы сделать постоянную Хаббла на несколько процентов выше предсказанной моделью, искусственно создав напряжение.
С появлением космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который может разделять звезды одну за другой, появилась надежда найти ответ на это противоречие.
К сожалению, этого пока не произошло. Астрономы теперь используют два других типа звезд в дополнение к цефеидам (известным как звезды на вершине ветви красных гигантов (TRGB) и звезды асимптотической ветви гигантов J-области (JAGB). Однако, хотя группа ценит от звезд JAGB и TRGB сообщили, что они поразительно близки к значению, ожидаемому космологической моделью, другая группа утверждает, что они все еще обнаруживают расхождения в своих наблюдениях. Тем временем измерения цефеид продолжают показывать. напряжение Хаббла.
Важно отметить, что, хотя эти измерения очень точны, они все же могут быть искажены эффектами, которые однозначно связаны с каждым типом измерений. Это влияет на точность наблюдений, причем по-разному для каждого типа звезд. Точное, но неточное измерение похоже на попытку поговорить с человеком, который всегда упускает суть. Чтобы устранить расхождения между противоречивыми данными, нам нужны измерения, которые были бы одновременно точными и достоверными.
Хорошей новостью является то, что напряжение Хаббла сейчас быстро меняется. Возможно, мы получим ответ на этот вопрос в следующем году или около того. Повышение точности данных, например, за счет включения звезд из более далеких галактик, поможет прояснить это. Точно так же измерения пульсаций в пространстве-времени, известных как гравитационные волны, смогут помочь нам определить константу.
Все это могло подтвердить стандартность модели. Или это может быть признаком того, что чего-то не хватает. Возможно, природа темной материи или то, как гравитация ведет себя в определенных масштабах, отличается от того, что мы думаем сегодня. Но прежде чем отказаться от модели, стоит восхититься ее непревзойденной точностью. Он не достигает цели максимум на несколько процентов, хотя экстраполирует более чем 13 миллиардов лет эволюции.
Если представить это в перспективе, то даже часовое движение планет Солнечной системы можно надежно рассчитать только в течение менее миллиарда лет, после чего они становятся непредсказуемыми. Стандартная модель космологии — это необычная машина.
Хаббловское напряжение — не единственная проблема космологии. Другое, так называемое «напряжение S8», тоже вызывает проблемы, хотя и не в такой степени. Здесь у модели есть проблема с гладкостью, поскольку она предсказывает, что материя во Вселенной должна быть более концентрированной, чем мы на самом деле наблюдаем, — примерно на 10%. Есть несколько способов измерить «комковатость» материи, например, анализируя искажения света галактик, вызванные предполагаемой темной материей, вторгающейся на луч зрения.
В настоящее время в сообществе, кажется, существует консенсус в отношении того, что неопределенности в наблюдениях необходимо прояснить, прежде чем можно будет исключить космологическую модель. Один из способов ослабить это напряжение — лучше понять роль газовых ветров в галактиках, которые могут выталкивать часть материи и тем самым делать их более гладкими.
Было бы полезно понять, как измерения слипания в малых масштабах соотносятся с измерениями в более крупных масштабах. Наблюдения также могут указывать на то, что нам необходимо изменить наше моделирование темной материи. Например, вместо того, чтобы полностью состоять из холодных, медленных частиц, как предполагалось в Стандартной модели, темная материя может быть смешана с некоторыми горячими, быстро движущимися частицами. Это может замедлить рост сгустка в более поздние космические времена, что снизит напряжение S8.
JWST выявил дополнительные проблемы для стандартной модели. Во-первых, ранние галактики оказались гораздо более массивными, чем ожидалось. Некоторые галактики теперь могут весить столько же, сколько Млечный Путь, несмотря на то, что они образовались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, что позволяет предположить, что они должны иметь меньшую массу.
Однако последствия для космологической модели в этом случае менее ясны, поскольку могут быть и другие возможные объяснения этих удивительных результатов. Ключ к решению этой проблемы лежит в улучшении измерения звездных масс в галактиках. Вместо того, чтобы измерять их напрямую, что невозможно, мы получаем эти массы из света, излучаемого галактиками.
Этот шаг требует некоторых упрощающих предположений, которые могут привести к завышению оценки массы. Недавно также утверждалось, что часть света, приписываемого звездам в этих галактиках, производится мощными черными дырами. Это означало бы, что эти галактики, возможно, не такие уж массивные.
Альтернативные теории
Так где мы сейчас находимся? Хотя некоторые противоречия вскоре могут быть объяснены новыми и более точными наблюдениями, пока неясно, будет ли найдено решение всех проблем, которые потрясают космологическую модель.
Однако нет недостатка в теоретических идеях о том, как можно улучшить модель – возможно, даже слишком много, в пределах нескольких сотен и более. Это непростая задача для любого теоретика, желающего изучить их все.
Возможности разнообразны. Возможно, нам нужно изменить наши предположения о природе темной энергии. Возможно, этот параметр меняется со временем, как показывают некоторые недавние измерения. Или, может быть, нам нужно добавить в модель больше темной энергии, чтобы ускорить расширение Вселенной на ранних или, наоборот, на более поздних стадиях. Другой возможностью было бы изменить поведение гравитации в больших масштабах Вселенной (в отличие от моделей, называемых «Модифицированная ньютоновская динамика» или MOND).
Однако пока ни одна из этих альтернатив не может объяснить широкий спектр наблюдений, которые может объяснить Стандартная модель. Еще большее беспокойство вызывает то, что некоторые из них помогают снять напряжение, а другие его усугубляют.
Теперь дверь открыта для самых разных идей, которые бросают вызов даже самым основным принципам космологии. Например, нам, возможно, придется отказаться от предположения, что Вселенная «однородна и изотропна» в очень больших масштабах, а это означает, что она выглядит одинаково для всех наблюдателей во всех направлениях и что во Вселенной нет особых точек. Другие предлагают внести изменения в общую теорию относительности.
Некоторые даже воображают вселенную-обманщика, которая участвует вместе с нами в акте наблюдения или меняет свой внешний вид в зависимости от того, смотрим мы на нее или нет — происходит то, что, как мы знаем, существует в квантовом мире атомов и частиц.
Со временем многие из этих идей, вероятно, будут отправлены в кунсткамеру теоретиков. Но в то же время они предоставляют благодатную почву для тестирования «новой физики».
Это хорошо. Ответ на эту напряженность, несомненно, будет получен из большего количества данных. В течение следующих нескольких лет мощная комбинация наблюдений таких экспериментов, как JWST, Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI), Обсерватория Веры Рубин и Евклид, и это лишь некоторые из них, поможет нам найти долгожданные ответы.
Поворотный момент
С одной стороны, более точные данные и лучшее понимание систематических неопределенностей измерений могли бы вернуть нам обнадеживающую уверенность Стандартной модели. Из прежних трудностей модель могла бы выйти не только подтвержденной, но и усиленной, и космология стала бы одновременно точной и точной наукой.
Однако когда баланс смещается в другую сторону, мы вступаем на неизведанную территорию, где необходимо открыть новые физические явления. Это может привести к серьезному сдвигу парадигмы в космологии, подобному открытию ускоряющегося расширения Вселенной в конце 1990-х годов. Однако по пути нам, возможно, придется раз и навсегда столкнуться с природой темной энергии и темной материи, двух величайших неразгаданных загадок Вселенной.
