Исследователи предполагают, что странный «космический сбой» в гравитации может объяснить странное поведение Вселенной в крупнейших масштабах.
Общая теория относительности, впервые сформулированная Альбертом Эйнштейном (Albert Einstein) в 1915 году, на данный момент остаётся нашим лучшим и наиболее точным пониманием того, как работает гравитация в средних и больших масштабах.
Тем не менее, если уменьшить масштаб ещё больше, чтобы увидеть взаимодействующие огромные группы гравитационно связанных галактик, то, по-видимому, обнаружатся некоторые несоответствия. Это говорит о том, что гравитация, которая теоретически является постоянной во всех временах и масштабах, на самом деле может немного ослабевать на космических расстояниях.
В исследовании, опубликованном 20 марта в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, исследователи описали это несоответствие как «космический сбой» и заявили, что предложенное ими решение может помочь нам понять некоторые из самых непреходящих загадок Вселенной.
«[Это] всё равно что собрать головоломку на поверхности сферы, затем разложить кусочки на плоском столе и попытаться сложить их вместе, — сказал в интервью Live Science соавтор исследования Ниайеш Афшорди (Niayesh Afshordi), профессор астрофизики в Университете Ватерлоо в Онтарио. — В какой-то момент фигуры на столе будут не совсем подходить друг к другу, потому что вы используете не ту структуру.»
«Данный сбой является неопровержимым доказательством фундаментального нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна (или симметрии Лоренца), которое может указывать на радикально отличающиеся картины квантовой гравитации, Большого взрыва или чёрных дыр», — добавил Афшорди.
Общая теория относительности Эйнштейна удивительно хороша в описании Вселенной за пределами квантовых масштабов, и она даже предсказала другие аспекты нашего космоса, включая чёрные дыры, гравитационное линзирование света, гравитационные волны и Большой взрыв.
Однако некоторые расхождения между теорией и реальностью всё же сохраняются. Во-первых, попытки уменьшить общую теорию относительности, чтобы описать, как гравитация действует в квантовых масштабах, превращают её обычно надёжные уравнения в непостижимую чепуху.
Во-вторых, завершение нашей нынешней модели Вселенной потребовало введения двух загадочных дополнений, известных как тёмная материя и тёмная энергия. Считается, что они составляют большую часть содержимого Вселенной, но эти объекты никогда не были обнаружены напрямую и не могут объяснить, почему наш космос расширяется с разной скоростью в зависимости от того, куда мы смотрим.
В ответ на эти проблемы авторы новой статьи выдвинули простое предложение: внести изменения в теорию Эйнштейна на разных масштабах расстояний.
«Модификация очень проста: мы предполагаем, что универсальная константа гравитации отличается в космологических масштабах по сравнению с более мелкими масштабами (такими как Солнечная система или Галактика), — сказал Афшорди. — Мы называем это космическим сбоем.»
Афшорди сказал, что эта настройка вносит изменения в закономерности космического микроволнового фона (остаточного излучения, образовавшегося через 380 тыс. лет после Большого взрыва), — а также в структуре и расширении Вселенной. Эти корректировки незаметны, но смысл того, что законы гравитации меняются в зависимости от масштаба расстояния, может быть глубоким.
«Мы находим доказательства сбоя: космическая гравитация примерно на 1% слабее, чем гравитация галактики/солнечной системы», — добавил он.
Исследователи заявили, что существование сбоя может быть подтверждено исследованиями галактик следующего поколения, в том числе проведёнными с помощью космического телескопа Euclid Европейского космического агентства, спектроскопического прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument и Обсерватории Саймонса. Они говорят, что эти приборы должны произвести измерения сбоя в четыре раза точнее, чем это возможно в настоящее время, и, следовательно, подтвердить или опровергнуть их теорию.
Однако некоторые учёные говорят, что простой модификации теории относительности Эйнштейна может быть недостаточно. На самом деле, возможно, что несоответствия, выявленные астрономическими наблюдениями, являются намёками на то, что наше понимание Вселенной нуждается в полном переписывании.
«Неудивительно, что эта новая модель немного лучше соответствует данным, но, возможно, это нам о чём-то говорит», — сказал Скотт Додельсон (Scott Dodelson), профессор физики и заведующий кафедрой физики Университета Карнеги-Меллон, который не принимал участия в исследовании.
«Если это так, это означает, что мы понимаем ещё меньше, чем думали, — сказал он в интервью Live Science. — У меня такое предчувствие, что вместо добавления новых материалов нам нужна новая парадигма. Но пока никто не придумал ничего, что имело бы хоть какой-то смысл.»
