В последние несколько лет хорошо зарекомендовавшую себя область космологии потряс целый ряд противоречий. Так, например, предсказания стандартной модели Вселенной, похоже, противоречат некоторым недавним наблюдениям.
Ведутся горячие споры о том, являются ли эти наблюдения предвзятыми или же модель космологии, которая предсказывает структуру и эволюцию всей Вселенной, требует пересмотра. Некоторые даже утверждают, что космология находится в кризисе. В данный момент мы не знаем, чья позиция окажется верной. Но особенно волнительно то, что мы находимся на грани выяснения этого.
Честно говоря, противоречия — это нормальная часть научного метода. И за многие годы стандартная космологическая модель имела свою долю таких споров. Эта модель предполагает, что Вселенная состоит из 68,3% «тёмной энергии» (неизвестного вещества, вызывающего ускоренное расширение Вселенной), 26,8% тёмной материи (неизвестной формы материи) и 4,9% обычных атомов, что очень точно измерено по космическому микроволновому фону — послесвечение радиации от Большого взрыва.
Она очень успешно объясняет множество данных как на больших, так и на малых масштабах Вселенной. Например, она может объяснить такие явления, как распределение галактик вокруг нас и количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые минуты существования Вселенной. Возможно, наиболее важно то, что она также прекрасно объясняет космический микроволновый фон.
Это привело к тому, что модель получила репутацию «модели согласованности». Но настоящий шторм противоречивых измерений – или «напряжений», как их называют в космологии – теперь ставит под сомнение достоверность этой давней модели.
Неприятные напряжения
Стандартная модель основывается на определённых предположениях о природе тёмной энергии и тёмной материи. Но, несмотря на десятилетия интенсивных наблюдений, мы, похоже, так и не приблизились к пониманию того, из чего состоят тёмная материя и тёмная энергия.
Ключевым тестом является так называемое «напряжение Хаббла». Оно связано с постоянной Хаббла, которая обозначает скорость расширения Вселенной в настоящее время. Когда её измеряют в ближайших к нам участках Вселенной, исходя из расстояний до пульсирующих звёзд в близких галактиках, называемых цефеидами, её значение составляет 73 км/с/Мега парсек (Мпк — единица измерения расстояний в межгалактическом пространстве). Однако теоретическое предсказание составляет 67,4 км/с/Мпк. Разница может быть не очень большой (всего 8%), но она статистически значима.
Напряжение Хаббла стало известно около десяти лет назад. В то время считалось, что наблюдения могли быть предвзятыми. Например, хотя цефеиды очень яркие и легко видимые, они могли быть окружены другими звёздами, из-за чего они могли казаться ещё ярче. Это могло привести к тому, что постоянная Хаббла оказалась бы выше на несколько процентов по сравнению с модельным предсказанием, создавая тем самым искусственное напряжение.
С появлением телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), который может разделять звёзды по отдельности, появилась надежда, что мы на это противоречие найдём ответ.
К сожалению, этого пока не произошло. Сейчас астрономы используют два других типа звёзд помимо цефеид — звёзды на вершине ветви красного гиганта (TRGB) и звёзды на асимптотической ветви гигантов J-области (JAGB). Однако, в то время как одна группа сообщила о значениях для звёзд JAGB и TRGB, которые близки к ожидаемому значению по модели космологии, другая группа утверждает, что они всё ещё видят несоответствия в своих наблюдениях. Между тем, измерения цефеид продолжают показывать напряжение Хаббла.
Важно отметить, что хотя эти измерения очень точны, они могут быть предвзяты из-за эффектов, уникальных для каждого типа измерений. Это по-разному повлияет на точность наблюдений для каждого типа звёзд. Точное, но неточное измерение похоже на попытку поговорить с человеком, который постоянно упускает суть. Для разрешения разногласий между конфликтующими данными нам нужны измерения, которые являются и точными, и достоверными.
Хорошая новость заключается в том, что напряжение Хаббла — это быстро развивающаяся история. Возможно, мы получим ответ на этот вопрос в течение следующего года или около того. Улучшение точности данных, например, включение звёзд из более удалённых галактик, поможет разрешить этот вопрос. Аналогично, измерения колебаний в пространстве-времени, известных как гравитационные волны, также смогут помочь нам уточнить постоянную.
Это может подтвердить стандартную модель. Или может указать на то, что в ней что-то отсутствует. Возможно, природа тёмной материи или поведение гравитации на определённых масштабах отличается от того, что мы считаем сейчас. Но прежде чем отвергать модель, стоит поразиться её несравненной точности. Она ошибается всего на несколько процентов, экстраполируя при этом более чем 13 миллиардов лет эволюции.
Для сравнения, даже движение планет в Солнечной системе можно надёжно вычислять лишь менее чем на миллиард лет вперёд, после чего оно становится непредсказуемым. Стандартная космологическая модель — это выдающаяся конструкция.
Напряжение Хаббла — не единственная проблема космологии. Ещё одна проблема, известная как «напряжение S8», также вызывает трудности, хотя и не в таком масштабе. Здесь модель сталкивается с проблемой однородности, предсказывая, что материя в Вселенной должна быть более сконцентрирована, чем мы на самом деле наблюдаем — на примерно 10%. Существует множество способов измерения «группировки» материи, например, анализируя искажения света от галактик, вызванные предполагаемой тёмной материей, вмешивающейся по линии видимости.
В настоящее время в сообществе, похоже, существует консенсус, что неопределённости в наблюдениях должны быть прояснены, прежде чем отвергать космологическую модель. Один из возможных способов смягчить это напряжение — лучше понять роль газовых потоков в галактиках, которые могут выталкивать часть материи, делая её более однородной.
Понимание того, как измерения группировки на малых масштабах соотносятся с измерениями на больших масштабах, будет полезным. Наблюдения также могут указывать на необходимость изменения подхода к моделированию тёмной материи. Например, если тёмная материя не состоит полностью из холодных медленно движущихся частиц, как предполагает стандартная модель, а смешана с горячими быстро движущимися частицами, это могло бы замедлить рост группировки на поздних стадиях космического времени, что помогло бы смягчить напряжение S8.
JWST выявил и другие проблемы для стандартной модели. Одна из них заключается в том, что ранние галактики кажутся гораздо более массивными, чем ожидалось. Некоторые галактики могут иметь массу, равную массе Млечного Пути сегодня, хотя они сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, что предполагает, что они должны быть менее массивными.
Однако в данном случае последствия для космологической модели менее ясны, поскольку могут быть и другие возможные объяснения этих удивительных результатов. Ключ к решению проблемы — улучшение измерений звёздной массы в галактиках. Вместо того чтобы измерять их напрямую, что невозможно, мы делаем выводы о массе на основе света, испускаемого галактиками.
Этот шаг включает в себя некоторые упрощающие предположения, которые могут приводить к переоценке массы. Недавно также высказывалось мнение, что часть света, приписываемого звёздам в этих галактиках, может исходить от мощных чёрных дыр. Это предполагает, что эти галактики могут не быть такими массивными, как считалось.
Альтернативные теории
Итак, где мы находимся сейчас? Хотя некоторые напряжения могут быть вскоре объяснены более точными наблюдениями, не ясно, удастся ли нам решить все проблемы, связанные с космологической моделью.
Тем не менее, не было недостатка в теоретических идеях о том, как исправить модель — возможно, их было слишком много, в пределах нескольких сотен и продолжает расти. Это сложная задача для любого теоретика, желающего изучить их все.
Вариантов много. Возможно, нам нужно изменить наши предположения о природе тёмной энергии. Возможно, это параметр, который изменяется со временем, как и предположили некоторые недавние измерения. Или, возможно, нужно добавить больше тёмной энергии в модель, чтобы усилить расширение Вселенной на ранних этапах, или, наоборот, на поздних этапах. Изменение поведения гравитации на больших масштабах Вселенной (иначе чем это сделано в моделях, называемых Модифицированной Ньютонианской динамикой, или MOND) также может быть вариантом.
Однако на данный момент ни одна из этих альтернатив не может объяснить такой широкий спектр наблюдений, которые объясняет стандартная модель. Более того, некоторые из них могут помочь решить одну проблему, но усугубить другие.
Теперь открыта дверь для всевозможных идей, которые ставят под сомнение даже самые основные принципы космологии. Например, возможно, нам нужно отказаться от предположения, что Вселенная «однородна и изотропна» на очень больших масштабах, что означает, что она выглядит одинаково во всех направлениях для всех наблюдателей и предполагает отсутствие особых точек во Вселенной. Другие предлагают изменения в теории общей относительности.
Некоторые даже представляют себе «лукавую» Вселенную, которая взаимодействует с нами во время наблюдения или меняет свой вид в зависимости от того, смотрим ли мы на неё или нет — что мы знаем происходит в квантовом мире атомов и частиц.
Со временем многие из этих идей, вероятно, будут отнесены в кабинет курьёзов теоретиков. Но в то же время они предоставляют плодородную почву для проверки «новой физики».
Это хорошо. Ответы на эти напряжения, без сомнения, будут получены благодаря новым данным. В ближайшие несколько лет мощная комбинация наблюдений из таких экспериментов, как JWST, Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI), Обсерватория Веры Рубин и Евклид, среди многих других, поможет нам найти долгожданные ответы.
Переломный момент
С одной стороны, более точные данные и лучшее понимание систематических неопределённостей в измерениях могли бы вернуть нас к обнадеживающему комфорту стандартной модели. И невзирая на все её прошлые проблемы, модель может выйти не только подтверждённой, но и усиленной, а космология станет наукой, отличающейся как точностью, так и достоверностью.
Но если весы склонятся в другую сторону, нас ожидает неведомая территория, где придётся открывать новую физику. Это может привести к серьёзному сдвигу парадигмы в космологии, примером может быть ускоренное расширение Вселенной в конце 1990-х годов. Но на этом пути нам, возможно, придётся раз и навсегда разобраться в природе тёмной энергии и тёмной материи, двух больших неразгаданных загадок Вселенной.
