|
Космологические модели требуют радикального переосмысления
|
|
|
|
Наши представления о Вселенной основаны на вековом упрощении, известном как космологический принцип. Это предполагает, что при усреднении в больших масштабах Космос однороден, а материя распределена равномерно. Это позволяет дать математическое описание пространства-времени, которое упрощает применение общей теории относительности Эйнштейна ко Вселенной в целом. Наши космологические модели основаны на этом предположении. Но по мере того, как новые телескопы, как на Земле, так и в космосе, дают все более точные изображения, а астрономы открывают массивные объекты, такие как гигантская дуга квазаров, эта основа все больше подвергается сомнению. В нашем недавнем обзоре, опубликованном в Classical and Quantum Gravity, мы обсуждаем, как эти новые открытия заставляют нас радикально пересмотреть наши предположения и изменить наше понимание Вселенной.
|
|
|
|
Альберт Эйнштейн столкнулся с огромными дилеммами 106 лет назад, когда впервые применил свои уравнения гравитации ко Вселенной в целом. Ни один физик никогда не пытался сделать нечто столь смелое, но это было естественным следствием его ключевой идеи. Как напоминает нам учебник 50-летней давности: «Материя говорит пространству, как искривляться, а пространство говорит материи, как двигаться». В 1917 году данные почти полностью отсутствовали, а идея о том, что галактики являются объектами на огромных расстояниях, среди астрономов была в меньшинстве. Общепринятая точка зрения, принятая Эйнштейном, заключалась в том, что вся Вселенная выглядит как внутренняя часть нашей галактики. Предлагаемые звезды следует рассматривать как жидкости без давления, распределенные случайным образом, но с четко определенной средней плотностью — одинаковой или однородной в любом месте пространства.
|
|
|
Основываясь на идее о том, что Вселенная везде одинакова, Эйнштейн ввел свою космологическую постоянную, теперь известную как «темная энергия». В малых масштабах уравнения Эйнштейна говорят нам, что пространство никогда не стоит на месте. Но принуждать вселенную к этому в больших масштабах было неестественно. Поэтому Эйнштейн испытал облегчение после открытия расширяющейся Вселенной в конце 1920-х годов. Он даже назвал своей самой большой ошибкой. Теперь у нас есть удивительно подробные модели физики звезд и галактик, встроенных в эволюционирующую вселенную. Мы можем проследить астрофизику «вещества» от крошечных семенных ряби в первозданном огненном шаре до сложных структур сегодня. Наши телескопы — замечательные машины времени. Они оглядываются на то время, когда образовались первые атомы и Вселенная впервые стала прозрачной.
|
|
|
|
За ней находится изначальная плазма, непрозрачная, как внутренняя часть и поверхность солнца. Свет, покинувший «поверхность последнего рассеяния» Вселенной, был тогда очень горячим, около 2700. Мы получаем тот же самый свет сегодня, но охлажденный до минус 270 и разбавленный расширением Вселенной. Это космический микроволновый фон, и он удивительно однороден во всех направлениях. Это убедительное доказательство того, что Вселенная была очень близкой к пространственно однородной, когда она была огненным шаром. Но прямых доказательств такого единообразия сегодня нет. В далеком прошлом наши телескопы обнаруживают маленькие сливающиеся галактики, превращающиеся во все более крупные структуры вплоть до наших дней. Расширение Вселенной было полностью остановлено в самых больших концентрациях материи, известных как скопления галактик. Там, где пространство расширяется, скопления вытягиваются в нити и листы, которые пронизывают и окружают обширные пустые пустоты, и все они растут со временем, но с разной скоростью. Материя не гладкая, а образует «космическую паутину».
|
|
|
|
Но идея о том, что Вселенная пространственно однородна, сохраняется. Было бы грубое несоответствие между наблюдаемой космической паутиной и средней искривленной геометрией пространства, если бы все, что мы видим, это все, что есть. Доказательства отсутствия материи появились с момента первых наблюдений за скоплениями галактик в 1933 году. Наши первые наблюдения космического микроволнового фонового излучения и его ряби в десятилетие с 1965 года изменили это представление. Наши модели ядерной физики прекрасно предсказуемы. Но они согласуются с наблюдениями только в том случае, если недостающая масса в скоплениях галактик представляет собой что-то вроде нейтрино, которые не могут излучать свет. Таким образом, мы изобрели холодную темную материю, которая усиливает гравитацию в скоплениях галактик. Миллиарды были потрачены на попытки прямого обнаружения темной материи, но десятилетия таких усилий не дали окончательного определения того, что составляет 80% всей материи и 20% всей энергии во Вселенной сегодня.
|
|
Аномальное небо
|
|
|
|
Космическое микроволновое фоновое излучение не является идеально однородным. На него накладываются колебания, одно из которых аномально велико и имеет форму диполя: диаграмма инь-ян, охватывающая все небо. Мы можем интерпретировать это как эффект относительного движения, при условии, что мы определим космическое микроволновое фоновое излучение как систему покоя Вселенной. Если бы мы этого не сделали, нам понадобилось бы физическое объяснение большого диполя. Большая часть загадки сводится к асимметрии власти — однобокой вселенной. Температуры полушарий над и под плоскостью Млечного Пути немного отличаются от ожидаемых. Эти аномалии долгое время объяснялись неучтенными физическими процессами при моделировании микроволнового излучения Млечного Пути. Космическое микроволновое фоновое излучение - не единственное наблюдение всего неба, показывающее диполь. В прошлом году исследователи использовали наблюдения 1,36 миллиона далеких квазаров и 1,7 миллиона радиоисточников, чтобы проверить космологический принцип. Они обнаружили, что материя тоже распределена неравномерно.
|
|
|
|
Еще одна еще более широко обсуждаемая загадка — «напряжение Хаббла». Традиционно мы предполагаем, что среднее значение текущей скорости расширения Вселенной по всему небу дает одно четко определенное значение: постоянную Хаббла. Но измеренное значение отличается от ожидаемого, учитывая стандартную историю расширения, основанную на космическом микроволновом фоновом излучении. Если бы мы допустили неоднородные космологии, эта проблема могла бы просто исчезнуть. Используя данные космического микроволнового фона из отдельных противоположных полушарий, стандартная история расширения подразумевает разные «постоянные» Хаббла на каждой стороне неба сегодня. Эти загадки усугубляются постоянно растущим списком неожиданных открытий: обширная гигантская дуга квазаров и сложная, яркая и наполненная элементами ранняя Вселенная, открытая космическим телескопом Джеймса Уэбба. Если материя гораздо разнообразнее и интереснее, чем ожидалось, то, возможно, и геометрия тоже. Модели, которые отказываются от космологического принципа, действительно существуют и делают предсказания. Они просто менее изучены, чем стандартная космология. Спутник Euclid Европейского космического агентства будет запущен в этом году. Сможет ли Евклид показать, что в среднем пространство не является евклидовым? Если это так, то фундаментальная революция в физике может быть не за горами.
|
|
|
|
Источник
|
