Ранняя темная энергия может объяснить кризис в космологии
В 1916 году Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности, которая описывает, как гравитационные силы изменяют кривизну пространства-времени. Среди прочего, эта теория предсказывала, что Вселенная расширяется, что было подтверждено наблюдениями Эдвина Хаббла в 1929 году. С тех пор астрономы заглянули дальше в космос (и, следовательно, назад во времени), чтобы измерить, насколько быстро расширяется Вселенная. — также известная как постоянная Хаббла. Эти измерения становятся все более точными благодаря открытию космического микроволнового фона (CMB) и обсерваторий, таких как космический телескоп Хаббла.
Астрономы традиционно делали это двумя способами: напрямую измеряя его локально (используя переменные звезды и сверхновые звезды) и косвенно на основе измерений красного смещения реликтового излучения и космологических моделей. К сожалению, за последнее десятилетие эти два метода дали разные значения. В результате астрономы искали возможное решение этой проблемы, известной как «напряжение Хаббла». Согласно новой работе группы астрофизиков, существование «ранней темной энергии» может быть решением, которое искали космологи.
Исследование было проведено Марком Камионковски, Уильямом Р. Кенаном, младшим профессором физики и астрономии в Университете Джона Хопкинса (JHU), и Адамом Г. Риссом — астрофизиком и заслуженным профессором Блумберга в JHU и Научном институте космического телескопа ( СНТКИ). Их статья под названием «Напряжение Хаббла и ранняя темная энергия» находится на рассмотрении для публикации в «Ежегодном обзоре науки о ядерных частицах и элементарных частицах» (и в настоящее время доступна на сервере препринтов arXiv). Как они объясняют в своей статье, существует два метода измерения космического расширения.
Прямой метод предполагает использование сверхновых в качестве «стандартных свечей» (маркеров расстояний) для проведения измерений в локальном масштабе. Косвенный метод включает сравнение измерений реликтового излучения с космологическими моделями, такими как модель лямбда-холодной темной материи (LCMD), которая включает присутствие темной материи и темной энергии. К сожалению, эти два метода дают разные результаты: первый дает значение ~73 км/с на мегапарсек (Мпк), а второй дает ~67 км/с Мпк.
Как доктор Рейсс рассказал Universe Today по электронной почте: «Постоянная Хаббла — это текущая скорость, с которой Вселенная расширяется. лучшее, что вы можете в настоящее время, или вы предсказываете значение, которое оно должно было иметь, основываясь на том, как Вселенная выглядела после Большого Взрыва, в сочетании с моделью того, как Вселенная должна развиваться.Это проблема, потому что, если эти два способа не согласуются, это заставляет нас думаю, что мы что-то неправильно понимаем во Вселенной».
Но, как добавляет Рейсс, тайна хаббловского напряжения не столько проблема, сколько возможность для новых открытий. До сих пор было предложено много вариантов объяснения этого несоответствия, начиная от существования дополнительного излучения, модифицированной общей теории относительности (ОТО), модифицированной ньютоновской динамики (МОНД), первичных магнитных полей или существования темной материи и темной энергии во время ранней Вселенной, которая вела себя по-разному. Обычно их можно разделить на две категории: ранние (вскоре после Большого взрыва) и более поздние решения (совсем недавно в космической истории).
Более поздние решения постулируют, что плотность энергии в пострекомбинационной Вселенной, когда ионизированная плазма ранней Вселенной породила нейтральные атомы (примерно через 300 000 лет после Большого взрыва), меньше, чем в стандартной модели LCMB. Тем временем ранние временные решения постулируют, что плотность энергии каким-то образом увеличивалась до того, как произошла рекомбинация, так что «звуковой горизонт» (сопутствующее расстояние, которое может пройти звуковая волна) уменьшился. Ради своего исследования Камионковски и Кенан рассматривали раннюю темную энергию (EDE) в качестве потенциального кандидата.
Как объяснил Рейсс, присутствие EDE должно было дать около 10% общей плотности энергии Вселенной до того, как произошла рекомбинация. После рекомбинации плотность энергии должна была уменьшаться быстрее, чем у других форм излучения, таким образом оставляя позднюю эволюцию Вселенной неизменной. «Это вызвало бы всплеск дополнительного, неожиданного расширения молодой Вселенной, которое, если бы мы не знали об этом, привело бы к тому, что предсказанное значение занижало бы истинное значение», — сказал Рейсс.
Что делает EDE предпочтительнее более поздних решений, так это то, что последнее подразумевает существование жидкости, которая эффективно создает энергию из ничего, что нарушает сильное энергетическое условие, предсказанное ОТО. Более того, такие модели трудно согласовать с измерениями космической лестницы расстояний переменных цефеид и сверхновых типа Ia в близких галактиках (мишени с малым красным смещением) и сверхновых типа Ia в далеких галактиках (с высоким красным смещением). Короче говоря, решения, включающие модификации ранней динамики Вселенной, по-видимому, наиболее согласуются с установленными космологическими ограничениями.
Как они отмечают, несмотря на растущее количество свидетельств, намекающих на существование EDE, наши текущие измерения реликтового излучения еще недостаточно точны и надежны, чтобы отличить модели EDE от стандартной модели LCDM. В дальнейшем необходимы улучшенные локальные измерения, которые помогут уточнить постоянную Хаббла и устранить любые систематические ошибки. Во-вторых, необходимы более точные измерения поляризации реликтового излучения в меньших угловых масштабах для проверки EDE и других новых физических моделей.
Как они указывают в своей статье, эти шаги уже предпринимаются благодаря обсерваториям Dark Energy Survey и обсерваторий нового поколения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и миссия ЕКА Euclid: «К счастью, следующие шаги в изучении Напряженность Хаббла очевидна.Более того, необходимая наблюдательная инфраструктура уже на месте, так как она во многом совпадает с той, что собрана для изучения (поздней Вселенной) темной энергии и инфляции. «В конечном счете, мы должны продолжать исследовать астрофизические и измерительные погрешности. Как мы снова и снова убеждаемся в космологии, не существует единой пули — надежные выводы достигаются только с помощью нескольких направлений наблюдений и тесно переплетенной паутины калибровок, перекрестных калибровок, и проверка совместимости».
