Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывает теория
Астрономы на протяжении десятилетий знали, что Вселенная расширяется. Когда они используют телескопы для наблюдения за далекими галактиками, они видят, что эти галактики удаляются от Земли. Астрономы считают, что длина волны света, излучаемого галактикой, тем длиннее, чем быстрее галактика удаляется от нас. Чем дальше находится галактика, тем больше ее свет смещается в сторону более длинных волн красной стороны спектра — и тем выше «красное смещение». Поскольку скорость света конечна, она быстра, но не бесконечно быстра, видеть что-то далеко означает, что мы смотрим на вещь так, как она выглядела в прошлом. Что касается далеких галактик с большим красным смещением, мы видим галактику, когда Вселенная была в более молодом состоянии. Таким образом, «высокое красное смещение» соответствует ранним временам существования Вселенной, а «низкое красное смещение» соответствует поздним временам существования Вселенной. Но когда астрономы изучили эти расстояния, они поняли, что Вселенная не просто расширяется — скорость ее расширения ускоряется. И эта скорость расширения даже выше, чем предсказывает ведущая теория, оставляя таких космологов, как я, озадаченными и ищущими новые объяснения.
Источником этого ускорения ученые называют темную энергию. Мы не совсем уверены, что движет темной энергией и как она работает, но мы думаем, что ее поведение можно объяснить космологической константой, которая является свойством пространства-времени, способствующим расширению Вселенной. Первоначально эту константу придумал Альберт Эйнштейн — он обозначил ее лямбдой в своей общей теории относительности. При наличии космологической постоянной по мере расширения Вселенной плотность энергии космологической постоянной остается неизменной. Представьте себе коробку, полную частиц. Если объем коробки увеличится, плотность частиц уменьшится, поскольку они распространятся и займут все пространство коробки. Теперь представьте себе тот же ящик, но по мере увеличения объема плотность частиц остается прежней. Это не кажется интуитивным, не так ли? То, что плотность энергии космологической постоянной не уменьшается по мере расширения Вселенной, конечно, очень странно, но это свойство помогает объяснить ускоряющуюся Вселенную.
В настоящее время ведущая теория или стандартная модель космологии называется «Лямбда-CDM». Лямбда обозначает космологическую постоянную, описывающую темную энергию, а CDM означает холодную темную материю. Эта модель описывает как ускорение Вселенной на поздних стадиях ее развития, так и скорость расширения на ее ранних этапах. В частности, Lambda CDM объясняет наблюдения космического микроволнового фона, который представляет собой послесвечение микроволнового излучения, возникшего в то время, когда Вселенная находилась в «горячем и плотном состоянии» примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. Наблюдения с помощью спутника «Планк», который измеряет космический микроволновый фон, побудили ученых создать модель Lambda CDM. Адаптация модели Lambda CDM к космическому микроволновому фону позволяет физикам предсказать значение постоянной Хаббла, которая на самом деле не является константой, а является измерением, описывающим текущую скорость расширения Вселенной. Но модель Lambda CDM не идеальна. Ученые рассчитали скорость расширения, измеряя расстояния до галактик, и скорость расширения, описанную в Lambda CDM с использованием наблюдений космического микроволнового фона, не совпадают. Астрофизики называют это разногласие напряжением Хаббла.
Последние несколько лет я искал способы объяснить это противоречие с Хабблом. Напряжение может указывать на то, что модель Lambda CDM является неполной и физикам следует изменить свою модель, или это может указывать на то, что исследователям пора выдвинуть новые идеи о том, как работает Вселенная. А новые идеи — это всегда самое интересное для физика. Один из способов объяснить напряженность Хаббла — это модифицировать модель Lambda CDM, изменив скорость расширения при низком красном смещении в поздние времена существования Вселенной. Подобная модификация модели может помочь физикам предсказать, какие физические явления могут вызывать напряжение Хаббла. Например, возможно, темная энергия — это не космологическая константа, а результат гравитации, действующей по-новому. Если это так, то темная энергия будет развиваться по мере расширения Вселенной, а космический микроволновый фон, который показывает, как Вселенная выглядела всего через несколько лет после ее создания, имел бы другое предсказание для постоянной Хаббла. Но последние исследования моей команды показали, что физики не могут объяснить напряжение Хаббла просто изменением скорости расширения в поздней Вселенной — весь этот класс решений не соответствует действительности.
Чтобы изучить, какие типы решений могли бы объяснить напряжение Хаббла, мы разработали статистические инструменты, которые позволили нам проверить жизнеспособность всего класса моделей, изменяющих скорость расширения в поздней Вселенной. Эти статистические инструменты очень гибки, и мы использовали их для сопоставления или имитации различных моделей, которые потенциально могли бы соответствовать наблюдениям за скоростью расширения Вселенной и могли бы предложить решение проблемы Хаббла. Модели, которые мы протестировали, включают в себя развивающиеся модели темной энергии, в которых темная энергия действует по-разному в разное время во Вселенной. Мы также протестировали взаимодействующие модели темной энергии и темной материи, в которых темная энергия взаимодействует с темной материей, и модифицированные модели гравитации, в которых гравитация действует по-разному в разное время во Вселенной. Но ничто из этого не могло полностью объяснить напряжение Хаббла. Эти результаты позволяют предположить, что физикам следует изучить раннюю Вселенную, чтобы понять источник напряжения.
