Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Галактика Колесо телеги
Мы живём в странной Вселенной, наполненной необъяснимыми явлениями, ставившими в тупик человечество с незапамятных времён. Сегодня у учёных есть примерная модель истории космоса – лямбда с холодной тёмной материей, ΛCDM, или стандартная космологическая модель. Однако многие загадки не укладываются в эту платформу, пусть и подтверждённую другими наблюдениями. И чем точнее становятся в последние годы наши наблюдения за космосом, тем больше видно несоответствий.
Особенно занимает учёных упорное расхождение, возникающее при различных измерениях двух свойств Вселенной – скорости расширения, выражаемой через постоянную Хаббла H0, и значение сигма-8 (σ8), описывающее вариативность, с которой материя собирается в скопления на крупных космических масштабах.
Попытки измерить эти свойства приводят к различающимся результатам, и непонятно, по какой причине. Если постоянную Хаббла измеряют на основе данных о ярких звёздах, служащих стандартными свечами, она получается равной порядка 81100 км в час на миллион световых лет. Но если измерить её на основе данных о реликтовом излучении (самом старом свечении во Вселенной), получится около 74300 км в час на миллион световых лет. Сигма-8 тоже получается разной, меряем мы её на основании реликтового излучения, или на основании иных данных.
Всё это означает, что в нашем понимании базовых законов Вселенной и ткани реальности имеются серьёзные пробелы. Учёные всего мира пытаются решить эти противоречия.
Эти несоответствия привели к появлению целого потока новых исследований, описывающих возможные способы решения описанных проблем — в особенности с постоянной Хаббла. Космологи постоянно изобретают новые вселенные с переменными параметрами, надеясь однажды наткнуться на модель, в которой всё сойдётся.
Частично эти поиски мотивированы человеческой потребностью к пониманию нашего окружения, частично же представляют собой стремление к исправлению или замене модели ΛCDM на более полный портрет Вселенной.
«Расхождение Хаббла, а может и сигмы-8, может стать первым намёком на пробелы в модели ΛCDM, — сказал Арсалан Адил, аспират по теоретической физике из Калифорнийского университета в Дэйвисе. – Однако эта модель уже доказала себя в деле, поэтому откуда возьмётся решение этих проблем, непонятно».
Адил с коллегами недавно попытались устранить одним махом оба несоответствия, воспользовавшись теорией квинтэссенции – скалярного квантового поля, ответственного за расширение Вселенной. Работа команды недавно была опубликована на сайте arXiv. Квинтэссенция – это одна из попыток объяснить тёмную энергию, неведомую силу, заставляющую Вселенную расширяться. Её уже пытались использовать для решения упомянутых вопросов.
Исследователи предупредили, что их работу нельзя назвать всеобъемлющим решением, и они просто обнаружили, что «введение квинтэссенции даёт интересные последствия для теории эволюции Вселенной». Также Адил отметил, что их модель избегает обычной проблемы новых теорий, которые решают одно противоречие, обостряя при этом другое – такое поведение его профессор, космолог Неманджа Калопер, назвал «космологической игрой в Whac-A-Mole».
«Только исправишь одну проблему, как тут же появляется другая, — сказал Адил. – На самом деле это говорит в пользу экспериментаторов. У нас есть уже такое количество данных. Реликтовое излучение – это самый ранний свет из всех, что мы можем увидеть, испущенный 13 млрд лет назад, и мы можем построить детальную карту его распределения, на основе чего мы уже выясняем всякие тонкости – можно сказать, видим отпечатки пальцев нашей Вселенной. По поводу разрешения несоответствия Хаббла существует множество предложений, но все они только ухудшают несоответствие с сигмой-8».
Элеонора ди Валентино из Шеффилдского университета, руководившая написанием обзорной работы, сводившей воедино попытки изучения и исправления этих несоответствий, также рассматривала возможность использовать квинтэссенцию для решения этой проблемы. По её словам, проблема возникает из-за корреляции всех параметров.
«Изменяете один из них, и остальные изменяются соответствующим образом, — пишет она. – В большинстве моделей увеличение постоянной Хаббла увеличивает и сигму-8, и наоборот. Поэтому очень сложно найти модель, ведущую себя по-другому».
Хотя Адил с товарищами предлагают способ увеличить постоянную Хаббла, уменьшив значение сигмы-8, что выглядит многообещающе, по словам ди Валентино, новый портрет Вселенной не соответствует другим наблюдаемым данным.
«Эта работа, как и многие другие, пытается разрешить несоответствия, предлагая альтернативный сценарий, — сказала ди Валентино. – К сожалению, на сегодня ни одна из сотен альтернативных моделей не смогла разрешить эти проблемы с точностью, которая бы удовлетворила большинство исследователей».
Она добавила, что гравитационные волны в принципе могут дать ещё один независимый способ измерения постоянной Хаббла, и пролить свет на эту давнюю проблему. Новые данные позволят учёным оценить недостатки модели ΛCDM и пролить свет на другие загадки – природу тёмной энергии и тёмной материи, непонятной субстанции, составляющей большую часть материи Вселенной.
«Я считаю модель ΛCDM подходящей для текущих космологических представлений, и основанной на совершенно неизвестных величинах, вроде тёмной материи и тёмной энергии, — сказала ди Валентино. – Я считаю, что несоответствия Хаббла и сигмы-8 – это первые признаки того, что модель ΛCDM является неплохим первым приближением, но не окончательным описанием реальности».
Эти несоответствия – всего лишь парочка из множества проблем, найденных учёными у платформы ΛCDM. Эти несоответствия относятся к крупным масштабам — в эту категорию попадают ещё и такие загадки, как непонятное отсутствия лития в обозримой части Вселенной, по сравнению с расчётным количеством. Также учёные выявили у модели множество проблем и на малых масштабах: странная синхронизация орбит галактик-спутников, вращающихся вокруг более крупных галактик, что не соответствует предсказаниям теории.
Все эти загадки одновременно расстраивают и мотивируют космологов, но, как отметил Адил, произрастают они из невероятных достижений в области наблюдений, позволивших учёным измерить различные свойства космоса с беспрецедентной точностью.
Космолог Танви Карвал, постдок из Центра космологии частиц при Пенсильванском университете, также работавший с загадками Хаббла и сигмы-8, и разработавший интересные решения этих проблем, также подчёркивает этот момент.
«Если что-то хоть немного не соответствует теории, теперь мы сможем это увидеть, — сказал Карвал. – Надеюсь, и с этими несоответствиями всё происходит в том же ключе: было бы классно, если бы мы начали разбираться в том, что такое на самом деле тёмная материя и тёмная энергия, и как реально работает Вселенная. Верна ли наша модель ΛCDM? Или мы сильно промахнулись?»
При этом он предупреждает, что не стоит считать эти несоответствия проблемами исключительно модели ΛCDM – она не описывает сразу все пути к познанию Вселенной. Ведь уже появилось и исчезло множество моделей развития космоса, и ΛCDM – всего лишь один из шагов на пути к этому.
«Мы всегда должны помнить о том, что мы никогда не считали модель ΛCDM долгосрочной целью исследований, — сказал Карвал. – Это просто логичный следующий шаг. Никто ничего не уничтожает, мы просто поняли, куда хотим двигаться дальше».
