Изображение предоставлено: Pixabay/CC0 Public Domain
Учитывая непостижимые размеры Вселенной, возможно, понятно, что мы еще не раскрыли все ее тайны. Но на самом деле существуют некоторые довольно фундаментальные особенности, которые, как мы когда-то думали, можно было объяснить, и которые космологам все труднее понять.
Текущие измерения распределения материи во Вселенной (так называемая крупномасштабная структура), похоже, противоречат предсказаниям Стандартной модели космологии, нашего лучшего понимания того, как работает Вселенная.
Стандартная модель возникла около 25 лет назад и успешно воспроизвела широкий спектр наблюдений. Но некоторые недавние измерения крупномасштабных структур (тема, над которой я работаю) предполагают, что материя менее запутана (более гладкая), чем должна быть согласно Стандартной модели.
Этот результат заставляет космологов ломать голову и искать объяснения. Некоторые решения относительно тривиальны, например, неизвестные систематические ошибки измерений. Но есть и более радикальные решения. Это включает в себя переосмысление природы темной энергии (силы, ускоряющей расширение Вселенной), вызов новой силы природы или даже оптимизацию теории гравитации Эйнштейна в самых крупных масштабах.
В настоящее время нелегко отличить различные конкурирующие идеи на основе данных. Но измерения предстоящих исследований, вероятно, сделают огромный шаг вперед с точки зрения точности. Возможно, мы находимся на грани окончательного разрушения стандартной модели космологии.
Ранняя вселенная
Чтобы понять природу нынешнего напряжения и его возможные решения, важно понять, как формировалась и впоследствии развивалась структура Вселенной. Большая часть нашего понимания основана на измерениях космического микроволнового фона (CMB). Реликтовое излучение — это излучение, заполняющее Вселенную и являющееся остатком первых нескольких сотен тысяч лет космической эволюции после Большого взрыва (для сравнения, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиардов лет).
Ученые обнаружили реликтовое излучение случайно в 1964 году (за что получили Нобелевскую премию), но его существование и свойства были предсказаны много лет назад.
В прекрасном согласии с некоторыми из самых ранних теоретических работ наблюдаемая сегодня температура реликтового излучения составляет невероятно низкие 3 Кельвина (-270 °C). Однако в очень ранние времена температура была достаточно высокой (миллионы градусов), чтобы позволить всем легким элементам во Вселенной, включая гелий и литий, сливаться в более тяжелые элементы.
Спектр реликтового излучения (света с разбивкой по длинам волн) предполагает, что в прошлом он, должно быть, находился в тепловом равновесии с веществом, то есть у них было одинаковое распределение энергии. Вещество и излучение могут достичь теплового равновесия только в очень плотных средах. Измерения реликтового излучения убедительно показывают, что Вселенная когда-то была чрезвычайно горячим и плотным местом, где вся материя и излучение содержались на очень маленькой площади.
По мере расширения Вселенной она быстро охлаждалась. Некоторые из свободных электронов, присутствовавших в то время, были захвачены протонами и образовали атомы водорода. Эта «эра рекомбинации» произошла примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. С этого момента Вселенная внезапно стала менее плотной, поэтому реликтовое излучение «освободилось» для беспрепятственного перемещения, и с тех пор оно не имело существенного взаимодействия с материей.
Поскольку излучение очень старое, сегодняшние измерения реликтового излучения говорят нам кое-что об условиях ранней Вселенной. Но детальное картирование реликтового излучения говорит нам гораздо больше.
Ключевой вывод из карт реликтового излучения, полученных с помощью телескопа Планк, заключается в том, что Вселенная в ранние времена также была исключительно гладкой. Плотность и температура материи и излучения во Вселенной различались всего на 0,001% от места к месту. Если бы флуктуации были более экстремальными, материя и излучение были бы гораздо более концентрированными.
Эти вариации или «колебания» имеют фундаментальное значение для последующей структурной эволюции Вселенной. Без этих колебаний не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет – и не было бы жизни. Очень интересный вопрос: откуда берутся эти колебания?
Согласно нашему нынешнему пониманию, они являются результатом квантовой механики, теории микромира атомов и частиц. Квантовая механика показывает, что пустое пространство имеет определенную фоновую энергию, которая допускает внезапные локальные изменения, такие как появление и исчезновение частиц. Квантовая природа материи и энергии была подтверждена в лаборатории с поразительной точностью.
Считается, что эти флуктуации расширились до больших размеров в период очень быстрого расширения ранней Вселенной, называемый «инфляцией», хотя детальный механизм инфляции до сих пор полностью не изучен.
Со временем эти флуктуации увеличивались, и расположение материи и излучения во Вселенной становилось все более кластерным. Области, которые были немного более плотными, имели более сильное гравитационное притяжение и поэтому притягивали еще больше материи, увеличивая плотность, увеличивая гравитационное притяжение и так далее. Регионы с немного меньшей плотностью населения терялись и со временем становились все более пустыми — космический случай, когда богатые становятся богаче, а бедные — беднее.
Колебания со временем настолько усилились, что начали формироваться галактики и звезды, причем галактики распределялись внутри и вдоль знакомых нитей и узлов, образующих «космическую паутину».
Стандартное объяснение
Скорость увеличения флуктуаций со временем и то, как они накапливаются в пространстве, зависит от нескольких факторов: природы гравитации, компонентов материи и энергии во Вселенной, а также того, как эти компоненты взаимодействуют (как друг с другом, так и друг с другом). другой).
Эти факторы суммированы в стандартной модели космологии. Модель основана на решении общей теории относительности Эйнштейна (нашего лучшего понимания гравитации), которая предполагает, что Вселенная однородна и изотропна в большом масштабе, то есть она выглядит одинаково для каждого наблюдателя во всех направлениях.
Также предполагается, что материя и энергия во Вселенной состоят из обычной материи («барионов»), темной материи, состоящей из относительно тяжелых и медленно движущихся частиц («холодная» темная материя), и постоянного количества темной энергии (космологическая теория Эйнштейна). теория) существует константа, называемая лямбда).
С момента своего создания около 25 лет назад модель успешно объяснила многочисленные крупномасштабные наблюдения Вселенной, включая детальные свойства реликтового излучения.
И до недавнего времени он также отлично подходил для различных измерений кластеризации крупномасштабных структур в более поздние времена. Фактически, некоторые измерения крупномасштабных структур все еще очень хорошо описываются Стандартной моделью, и это может дать важный ключ к разгадке происхождения нынешнего напряжения.
Помните, что реликтовое излучение показывает нам накопление материи (колебания) в ранние времена. Таким образом, мы можем использовать Стандартную модель, чтобы развивать это с течением времени и предсказывать, как теоретически оно должно выглядеть сегодня. Если существует согласие между этим предсказанием и наблюдениями, это очень убедительный признак того, что компоненты Стандартной модели верны.
Напряжение «S8»
Что изменилось в последнее время, так это то, что наши измерения крупномасштабных структур, особенно в очень поздние времена, значительно улучшились в своей точности. Различные исследования, такие как «Обзор темной энергии» и «Обзор килоградусов», обнаружили доказательства несоответствия между наблюдениями и Стандартной моделью.
Другими словами, существует несоответствие между колебаниями в раннем периоде и позднем периоде: колебания в позднем периоде не так велики, как ожидалось. Космологи называют это столкновение «напряжением S8», потому что S8 — это параметр, который мы используем для характеристики накопления материи во Вселенной позднего периода.
В зависимости от рассматриваемого набора данных вероятность того, что напряжение является статистическим совпадением, может составлять всего 0,3%. Однако со статистической точки зрения этого недостаточно, чтобы окончательно исключить Стандартную модель.
Однако в ряде независимых наблюдений имеются явные свидетельства напряженности. И попытки объяснить это систематическими неопределенностями в измерениях или моделировании до сих пор просто не увенчались успехом.
Например, ранее предполагалось, что потенциально энергичные негравитационные процессы, такие как ветры и струи сверхмассивных черных дыр, могут впрыскивать достаточно энергии, чтобы изменить накопление материи в больших масштабах.
Однако, используя современное космологическое гидродинамическое моделирование (так называемое «Фламинго»), мы показали, что такие эффекты кажутся слишком малыми, чтобы объяснить противоречия со стандартной моделью космологии.
Если напряжение на самом деле указывает нам на ошибку в Стандартной модели, это будет означать, что что-то в основных компонентах модели неверно.
Это имело бы огромные последствия для фундаментальной физики. Например, напряжение может указывать на то, что что-то не так с нашим пониманием гравитации или природы неизвестного вещества, называемого темной материей или темной энергией. В случае с темной материей одна из возможностей заключается в том, что она взаимодействует сама с собой посредством неизвестной силы (нечто помимо простой гравитации).
С другой стороны, темная энергия может не быть постоянной, а развиваться с течением времени, как могут показать первые результаты исследования Dark Energy Survey Instrument (Desi). Некоторые учёные даже рассматривают возможность существования новой (пятой) силы природы. Это сила, подобная по силе гравитации, которая действует в очень больших масштабах и замедляет рост структуры.
Однако обратите внимание, что любые модификации Стандартной модели также должны будут учитывать многие наблюдения Вселенной, которые модель успешно объясняет. Это непростая задача. И прежде чем делать поспешные выводы, нам необходимо убедиться, что напряженность реальна, а не просто статистические колебания.
Хорошая новость заключается в том, что предстоящие измерения крупномасштабных структур с помощью экспериментов Дези, Обсерватории Рубина, Евклида, Саймонса и других могут подтвердить реальность напряжения с помощью гораздо более точных измерений.
Они также могут тщательно протестировать многие из предлагаемых альтернатив стандартной модели. Возможно, в ближайшие несколько лет мы отвергнем Стандартную модель космологии и фундаментально изменим наше понимание того, как работает Вселенная. Или же модель могла бы быть подтверждена и стать более надежной, чем когда-либо. Это захватывающее время для работы космологом.
Информация от: Разговором
