|
Космология находится на переломном этапе
|
|
|
|
За последние несколько лет ряд противоречий потряс устоявшуюся область космологии. Короче говоря, предсказания стандартной модели Вселенной, по-видимому, расходятся с некоторыми недавними наблюдениями. Ведутся жаркие споры о том, являются ли эти наблюдения предвзятыми, или же космологическая модель, которая предсказывает структуру и эволюцию всей Вселенной, возможно, нуждается в переосмыслении. Некоторые даже утверждают, что космология переживает кризис. Прямо сейчас мы не знаем, на чьей стороне победа. Но самое интересное, что мы находимся на грани того, чтобы это выяснить.
|
|
|
|
Справедливости ради, противоречия - это обычное явление для научного метода. И на протяжении многих лет стандартная космологическая модель не раз сталкивалась с ними. Эта модель предполагает, что Вселенная на 68,3% состоит из "темной энергии" (неизвестного вещества, которое ускоряет расширение Вселенной), на 26,8% — из темной материи (неизвестной формы вещества) и на 4,9% - из обычных атомов, что очень точно измеряется по космическому микроволновому фону - остаточному свечению излучения от Солнца. Большой взрыв.
|
|
|
|
Это очень успешно объясняет множество данных как в больших, так и в малых масштабах Вселенной. Например, это может объяснить такие вещи, как распределение галактик вокруг нас и количество гелия и дейтерия, образовавшихся за первые несколько минут существования Вселенной. Возможно, самое главное, что она также может полностью объяснить космический микроволновый фон.
|
|
|
Это привело к тому, что она получила репутацию "модели согласования". Но настоящий шторм противоречивых измерений — или "напряжений", как их называют в космологии, — теперь ставит под сомнение достоверность этой давней модели.
|
|
Неприятная напряженность
|
|
|
|
Стандартная модель делает определенные предположения о природе темной энергии и темной материи. Но, несмотря на десятилетия интенсивных наблюдений, мы, похоже, все еще не приблизились к пониманию того, из чего состоят темная материя и темная энергия.
|
|
|
|
Лакмусовой бумажкой служит так называемое напряжение Хаббла. Это относится к постоянной Хаббла, которая отражает скорость расширения Вселенной в настоящее время. При измерении в нашей близлежащей локальной Вселенной расстояния до пульсирующих звезд в близлежащих галактиках, называемых цефеидами, его значение составляет 73 км/с/мегапарсек (Мпк - единица измерения расстояний в межгалактическом пространстве). Однако, согласно теоретическому прогнозу, это значение составляет 67,4 км/с/Пдк. Разница может быть небольшой (всего 8%), но статистически значимой.
|
|
|
|
О напряжении Хаббла стало известно около десяти лет назад. В то время считалось, что наблюдения могли быть предвзятыми. Например, Цефеиды, хотя и были очень яркими и их было легко увидеть, были тесно связаны с другими звездами, что могло заставить их казаться еще ярче. Это могло привести к увеличению постоянной Хаббла на несколько процентов по сравнению с предсказанием модели, что искусственно создало напряженность.
|
|
|
|
С появлением космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который может различать звезды по отдельности, появилась надежда, что у нас будет решение этой проблемы.
|
|
|
|
К сожалению, этого до сих пор не произошло. В настоящее время астрономы используют два других типа звезд, помимо цефеид (известных как звезды ветви красных гигантов (TRGB) и звезды ветви асимптотических гигантов J-области (JAGB)). Но в то время как одна группа сообщила о значениях звезд JAGB и TRGB, которые дразняще близки к значениям, ожидаемым от космологической модели, другая группа заявила, что они все еще видят несоответствия в своих наблюдениях. Тем временем измерения цефеид продолжают показывать напряженность, создаваемую телескопом Хаббла.
|
|
|
|
Важно отметить, что, хотя эти измерения очень точны, они все же могут быть искажены некоторыми эффектами, уникально связанными с каждым типом измерений. Это по-разному повлияет на точность наблюдений для каждого типа звезд. Точное, но неточное измерение - это все равно что пытаться вести беседу с человеком, который всегда упускает суть. Чтобы разрешить противоречия между противоречивыми данными, нам нужны точные измерения.
|
|
|
|
Хорошей новостью является то, что проблема Хаббла в настоящее время быстро развивается. Возможно, мы получим ответ на нее в течение следующего года или около того. Повышение точности данных, например, за счет включения звезд из более отдаленных галактик, поможет разобраться в этом вопросе. Аналогичным образом, измерения пульсаций в пространстве-времени, известных как гравитационные волны, также смогут помочь нам определить постоянную величину.
|
|
|
|
Все это может подтверждать стандартную модель. Или же намекать на то, что в ней чего-то не хватает. Возможно, природа темной материи или то, как гравитация ведет себя в определенных масштабах, отличаются от того, во что мы верим сейчас. Но прежде чем отвергать эту модель, стоит поразиться ее непревзойденной точности. Она не соответствует действительности максимум на несколько процентов, хотя и экстраполирует более 13 миллиардов лет эволюции.
|
|
|
|
С точки зрения перспективы, даже движение планет Солнечной системы по часовой стрелке может быть надежно рассчитано менее чем на 1 миллиард лет, после чего оно становится непредсказуемым. Стандартная космологическая модель - это экстраординарный механизм.
|
|
|
|
Напряженность Хаббла - не единственная проблема для космологии. Другая, известная как "напряженность S8", также вызывает проблемы, хотя и не в таком масштабе. Здесь модель сталкивается с проблемой сглаживания, поскольку предсказывает, что материя во Вселенной должна быть сгруппирована сильнее, чем мы наблюдаем на самом деле — примерно на 10%. Существуют различные способы измерения "комковатости" материи, например, путем анализа искажений в свете от галактик, вызванных предполагаемым присутствием темной материи на линии видимости.
|
|
|
|
В настоящее время в сообществе, по-видимому, существует консенсус в отношении того, что необходимо устранить неопределенности в наблюдениях, прежде чем исключать космологическую модель. Один из возможных способов ослабить это напряжение - лучше понять роль газовых ветров в галактиках, которые могут вытеснять часть материи, делая ее более гладкой.
|
|
|
|
Это помогло бы понять, как измерения комковатости в малых масштабах соотносятся с измерениями в больших масштабах. Наблюдения также могут свидетельствовать о необходимости изменить методы моделирования темной материи. Например, если бы темная материя состояла не только из холодных, медленно движущихся частиц, как предполагает стандартная модель, она могла бы быть смешана с некоторыми горячими, быстро движущимися частицами. Это могло бы замедлить рост комковатости в поздние космические времена, что ослабило бы напряженность S8.
|
|
|
|
JWST выявил и другие проблемы стандартной модели. Одна из них заключается в том, что ранние галактики, по-видимому, намного массивнее, чем ожидалось. Некоторые галактики могут весить столько же, сколько Млечный Путь сегодня, хотя они образовались менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва, что говорит о том, что они должны быть менее массивными.
|
|
|
|
Однако в данном случае выводы, противоречащие космологической модели, менее очевидны, поскольку могут быть и другие возможные объяснения этих удивительных результатов. Ключом к решению этой проблемы является улучшение измерения звездных масс в галактиках. Вместо того чтобы измерять их напрямую, что невозможно, мы определяем эти массы по свету, испускаемому галактиками.
|
|
|
|
Этот шаг предполагает некоторые упрощающие допущения, которые могут привести к завышению массы. Недавно также было высказано предположение, что часть света, излучаемого звездами в этих галактиках, генерируется мощными черными дырами. Это может означать, что эти галактики, в конце концов, могут быть не такими массивными.
|
|
Альтернативные теории
|
|
|
|
Итак, на каком этапе мы находимся сейчас? Хотя некоторые противоречия вскоре могут быть объяснены большим количеством и более точных наблюдений, пока неясно, удастся ли разрешить все проблемы, стоящие перед космологической моделью.
|
|
|
|
Однако недостатка в теоретических идеях о том, как исправить модель, не было — возможно, их было слишком много, в пределах нескольких сотен. Это сложная задача для любого теоретика, который, возможно, захочет изучить их все.
|
|
|
|
Возможностей много. Возможно, нам нужно изменить наши предположения о природе темной энергии. Возможно, это параметр, который меняется со временем, как показали некоторые недавние измерения. Или, может быть, нам нужно добавить в модель больше темной энергии, чтобы ускорить расширение Вселенной в ранние времена или, наоборот, в более поздние. Изменение поведения гравитации в больших масштабах Вселенной (не так, как это делается в моделях, называемых модифицированной ньютоновской динамикой, или MOND) также может быть возможным вариантом.
|
|
|
|
Однако пока что ни одна из этих альтернатив не может объяснить тот широкий спектр наблюдений, который может сделать стандартная модель. Еще более тревожным является то, что некоторые из них могут помочь устранить одни проблемы, но усугубить другие.
|
|
|
|
Теперь двери открыты для всевозможных идей, которые бросают вызов даже самым основным принципам космологии. Например, нам, возможно, придется отказаться от предположения, что Вселенная "однородна и изотропна" в очень больших масштабах, что означает, что она выглядит одинаково во всех направлениях для всех наблюдателей и предполагает, что во Вселенной нет особых точек. Другие предлагают внести изменения в общую теорию относительности.
|
|
|
|
Некоторые даже представляют себе вселенную—обманщицу, которая участвует вместе с нами в процессе наблюдения или которая меняет свой внешний вид в зависимости от того, смотрим мы на нее или нет - нечто, что, как мы знаем, происходит в квантовом мире атомов и частиц.
|
|
|
|
Со временем многие из этих идей, вероятно, будут отправлены в кунсткамеру теоретиков. Но пока что они представляют собой благодатную почву для тестирования "новой физики".
|
|
|
|
Это хорошо. Решение этой проблемы, несомненно, будет найдено на основе дополнительных данных. В ближайшие несколько лет мощная комбинация наблюдений, полученных в ходе таких экспериментов, как JWST, спектроскопический инструмент темной энергии (DESI), обсерватория Веры Рубин и Euclid, среди многих других, помогут нам найти долгожданные ответы.
|
|
|
|
Переломный момент
|
|
|
|
С одной стороны, более точные данные и лучшее понимание систематических погрешностей измерений могли бы вернуть нас к обнадеживающему комфорту стандартной модели. Преодолев свои прошлые трудности, модель может оказаться не только подтвержденной, но и усиленной, и космология станет точной наукой.
|
|
|
|
Но если равновесие сместится в другую сторону, мы окажемся на неизведанной территории, где предстоит открыть новую физику. Это может привести к серьезному сдвигу парадигмы в космологии, подобному открытию ускоренного расширения Вселенной в конце 1990-х годов. Но на этом пути нам, возможно, придется раз и навсегда разобраться с природой темной энергии и темной материи, двух самых больших неразгаданных тайн Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
