Столкновение космических чисел бросает вызов нашей лучшей теории Вселенной | Журнал Кванта

В начале 2000-х годов казалось, что космологи решили самую большую и сложную загадку из всех: как устроена Вселенная.

«Был удивительный момент, когда внезапно все части космологии сошлись воедино», — сказал он. Дж. Колин Хилл, космолог-теоретик из Колумбийского университета.

Все способы изучения Вселенной — картографирование галактик и их более крупных структур, фиксация катастрофических звездных взрывов, называемых сверхновыми, расчет расстояний до переменных звезд, измерение остаточного космического свечения ранней Вселенной — рассказывают истории, которые «казалось, перекрываются», сказал Хилл.

Клей, скрепляющий эти истории, был обнаружен несколькими годами ранее, в 1998 году: темная энергия, загадочная сила, которая вместо того, чтобы склеивать космос, каким-то образом заставляет его расширяться все быстрее, а не замедляться с течением времени. Когда ученые включили это космическое нечто в свои модели Вселенной, теории и наблюдения переплелись. Они разработали то, что сейчас известно как стандартная модель космологии, называемая Лямбда-CDM, в которой темная энергия составляет почти 70% Вселенной, а еще одна загадочная темная сущность — тип невидимой массы, которая, кажется, взаимодействует только с обычной материей. за счет силы тяжести — составляет около 25%. Остальные 5% — это все, что мы можем видеть: звезды, планеты и галактики, которые астрономы изучали на протяжении тысячелетий.

Но этот момент спокойствия был лишь краткой передышкой между периодами борьбы. По мере того как астрономы проводили более точные наблюдения за Вселенной в космическом времени, в стандартной модели начали появляться трещины. Одними из первых признаков проблемы стали измерения переменные звезды и сверхновые в нескольких близлежащих галактиках — наблюдения, которые, по сравнению с остаточным космическим свечением, позволяют предположить, что наша Вселенная действует по другим правилам, чем мы думали, и что решающий космологический параметр, определяющий, насколько быстро Вселенная разлетается на части, меняется, когда вы измеряйте его разными мерками.

У космологов была проблема — то, что они называли напряжением или, в более драматические моменты, кризис.

Эти противоречивые измерения стали более отчетливыми только примерно через десять лет после появления первых трещин. И это несоответствие — не единственный вызов стандартной модели космологии. Наблюдения за галактиками позволяют предположить, что способ, которым космические структуры слиплись воедино с течением времени может отличаться от нашего лучшего понимания того, как сегодняшняя Вселенная должна была вырасти из семян, заложенных в раннем космосе. И еще более тонкие несоответствия возникают в результате детальных исследований самого раннего света Вселенной.

Других несоответствий предостаточно. «Есть еще много более мелких проблем в других местах», — сказал он. Элеонора Ди Валентино, космолог-теоретик из Университета Шеффилда. «Вот почему это вызывает недоумение. Потому что дело не только в этих больших проблемах».

Чтобы смягчить эту напряженность, космологи используют два взаимодополняющих подхода. Во-первых, они продолжают проводить более точные наблюдения за космосом в надежде, что более качественные данные подскажут, как действовать дальше. Кроме того, они находят способы тонко настроить стандартную модель, чтобы учесть неожиданные результаты. Но эти решения часто надуманны, и если они решают одну проблему, то часто ухудшают другие.

«Ситуация сейчас кажется большим беспорядком», — сказал Хилл. «Я не знаю, что с этим делать».

Искаженный свет

Чтобы охарактеризовать нашу Вселенную, ученые используют несколько чисел, которые космологи называют параметрами. Физические сущности, к которым относятся эти значения, представляют собой шестерни гигантской космической машины, каждый бит которой связан с другими.

Один из этих параметров связан с тем, насколько сильно масса слипается. Это, в свою очередь, говорит нам кое-что о том, как действует темная энергия, поскольку ее ускоряющееся движение наружу конфликтует с гравитационным притяжением космической массы. Для количественной оценки комковатости ученые используют переменную под названием S₈. Если значение равно нулю, то во Вселенной нет изменений и структуры, объяснили ученые. Сунао Сугияма, космолог-наблюдатель из Пенсильванского университета. Это похоже на плоскую, безликую прерию, в которой нет даже муравейника, который мог бы разбить ландшафт. Но если S₈ ближе к 1, Вселенная похожа на огромный зубчатый горный хребет с массивными скоплениями плотной материи, разделенными долинами небытия. Наблюдения, сделанные космическим кораблем «Планк» за очень ранней Вселенной, где зародились первые семена структуры, обнаружили значение 0.83.

Но наблюдения недавней космической истории не совсем согласуются.

Чтобы сравнить комковатость сегодняшней Вселенной с измерениями зарождающегося космоса, исследователи изучают, как материя распределяется на больших участках неба.

Учет видимых галактик – это одно. Но картирование невидимой сети, на которой лежат эти галактики, — это другое. Для этого космологи изучают крошечные искажения света галактик, поскольку путь, по которому свет проходит через космос, искажается, поскольку свет отклоняется гравитационным весом невидимой материи.

Изучая эти искажения (известные как слабое гравитационное линзирование), исследователи могут проследить распределение темной материи по путям света. Они также могут оценить, где находятся галактики. Имея в руках обе части информации, астрономы создают трехмерные карты видимой и невидимой массы Вселенной, что позволяет им измерять, как ландшафт космической структуры меняется и расширяется с течением времени.

За последние несколько лет три исследования со слабым линзированием нанесли на карту большие участки неба: Исследование темной энергии (DES), в котором используется телескоп в пустыне Атакама в Чили; Килоградусное исследование (KIDS), также в Чили; и совсем недавно — пятилетний обзор с помощью Hyper Suprime-Cam (HSC) телескопа Subaru на Гавайях.

Несколько лет назад исследования DES и KIDS показали S₈ значения ниже, чем у Планка, что подразумевает меньшие горные хребты и более низкие вершины, чем то, что создал первичный космический суп. Но это были всего лишь дразнящие намеки на недостатки в нашем понимании того, как космические структуры растут и объединяются. Космологам требовалось больше данных, и они с нетерпением ждали результатов Subaru HSC, которые были опубликованы. в серии из пяти статей в декабре.

Команда Subaru HSC исследовала десятки миллионов галактик, занимающих площадь около 416 квадратных градусов на небе, что эквивалентно 2,000 полнолуниям. На своем участке неба команда рассчитала S₈ значение 0.78 — соответствует первоначальным результатам более ранних обзоров и меньше, чем измеренное значение по наблюдениям телескопа Планк за излучением ранней Вселенной. Команда Subaru осторожно заявляет, что их измерения лишь «намекают» на напряжение, поскольку они еще не достигли уровня статистической значимости, на который полагаются ученые, хотя они работают над добавлением к своим данным еще трехлетних наблюдений.

"Если это S₈ Напряжение действительно верно, есть кое-что, чего мы еще не понимаем», — сказал Сугияма, который руководил одним из анализов Subaru HSC.

Космологи сейчас изучают детали наблюдений, чтобы выявить источники неопределенности. Для начала команда Subaru оценила расстояния до большинства своих галактик на основе их общего цвета, что могло привести к неточностям. «Если вы неправильно оценили [среднее] расстояние, вы также получите неверные некоторые из ваших космологических параметров, которые вас интересуют», — сказал член команды. Рэйчел Мандельбаум Университета Карнеги-Меллон.

Вдобавок ко всему, эти измерения непросто провести, поскольку их интерпретация сопряжена с небольшими сложностями. А разница между искаженным внешним видом галактики и ее фактической формой — ключ к определению невидимой массы — часто очень мала, сказал он. Диана Сконьямильо Лаборатории реактивного движения НАСА. Кроме того, размытие земной атмосферы может немного изменить форму галактики, что является одной из причин, по которой Сконьямильо проводит анализ слабых линз с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА.

Еще больше путаницы добавляют ученые из команд DES и KIDS. недавно повторно проанализировали свои измерения вместе и получили S₈ значение ближе к результатам Планка.

Так что на данный момент картина неясная. И некоторые космологи еще не убеждены, что различные S₈ измерения находятся в напряжении. «Я не думаю, что здесь есть очевидный намек на серьезную катастрофическую неудачу», — сказал Хилл. Но, добавил он, «не исключено, что происходит что-то интересное».

Где заметны трещины

Десяток лет назад учёные увидели первые намеки на проблемы с измерениями ещё одного космологического параметра. Но потребовались годы, чтобы накопить достаточно данных, чтобы убедить большинство космологов в том, что они имеют дело с полноценным кризисом.

Короче говоря, измерения того, насколько быстро сегодня расширяется Вселенная (известные как постоянная Хаббла), не соответствуют значению, которое вы получаете при экстраполяции из ранней Вселенной. Эта загадка стала известна как напряжение Хаббла.

Чтобы вычислить постоянную Хаббла, астрономам необходимо знать, как далеко находятся объекты. В близлежащем космосе ученые измеряют расстояния с помощью звезд, называемых переменными цефеид, которые периодически меняют яркость. Существует хорошо известная взаимосвязь между тем, как быстро одна из этих звезд меняется от самой яркой к самой слабой, и сколько энергии она излучает. Это соотношение, открытое в начале 20-го века, позволяет астрономам вычислить внутреннюю яркость звезды и, сравнив ее с тем, насколько яркой она выглядит, они могут рассчитать расстояние до нее.

Используя эти переменные звезды, ученые могут измерять расстояния до галактик на расстоянии до 100 миллионов световых лет от нас. Но чтобы увидеть немного дальше и немного дальше назад во времени, они используют более яркий маркер — особый тип звездного взрыва, называемый сверхновой типа Ia. Астрономы также могут рассчитать внутреннюю яркость этих «стандартных свечей», что позволяет им измерять расстояния до галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет.

За последние два десятилетия эти наблюдения помогли астрономам определить, насколько быстро расширяется близлежащая Вселенная: примерно 73 километра в секунду на мегапарсек. Это означает, что, если вы посмотрите дальше, на каждый мегапарсек (или 3.26 миллиона световых лет) ) расстояния, космос улетает на 73 километра в секунду быстрее.

Но эта ценность противоречит ценности, полученной от другого правителя, встроенного в зарождающуюся вселенную.

В самом начале Вселенная представляла собой пылающую плазму, смесь фундаментальных частиц и энергии. «Это был настоящий беспорядок», — сказал Вивиан Пулен-Детоль, космолог из Университета Монпелье.

За долю секунды космической истории какое-то событие, возможно, период экстремального ускорения, известный как инфляция, вызвало толчки — волны давления — через мутную плазму.

Затем, когда Вселенная остыла, свет, захваченный элементарным плазменным туманом, наконец, вырвался на свободу. По словам Пулен-Детоль, этот свет — космический микроволновый фон, или реликтовое излучение, — выявляет эти ранние волны давления, точно так же, как поверхность замерзшего озера держится на перекрывающихся гребнях волн, застывших во времени.

Космологи измерили наиболее распространенную длину волны этих замороженных волн давления и использовали ее для расчета значения постоянной Хаббла 67.6 км/с/Мпк, с неопределенностью менее 1%.

Особенно несогласованные значения — примерно 67 против 73 — вызвали пламенные дебаты в космологии, которые до сих пор не разрешены.

Астрономы обращаются к независимым отметкам космических миль. За последние шесть лет, Венди Фридман из Чикагского университета (который работал над постоянной Хаббла четверть века) сосредоточился на типе старых красных звезд, которые обычно живут во внешних частях галактик. Там меньшее количество перекрывающихся ярких звезд и меньше пыли может привести к более четким измерениям. Используя эти звезды, Фридман и ее коллеги измерили скорость расширения около 70 км/с/Мпк — «что на самом деле довольно хорошо согласуется с цефеидами», — сказала она. «Но это также довольно хорошо согласуется с микроволновым фоном».

Теперь она обратилась к мощному инфракрасному глазу JWST, чтобы решить проблему. Вместе со своими коллегами она измеряет расстояния до этих гигантских красных звезд в 11 близлежащих галактиках, одновременно измеряя расстояния до цефеид и одного из типов пульсирующих углеродных звезд в тех же галактиках. Они планируют опубликовать результаты где-то этой весной, но уже сейчас, по ее словам, «данные выглядят действительно впечатляюще».

«Мне очень интересно посмотреть, что они найдут», — сказал Хилл, который работает над пониманием моделей Вселенной. Расширят ли эти новые наблюдения трещины в любимой модели космологии?

Новая модель?

Поскольку наблюдения продолжают ограничивать эти важные космологические параметры, ученые пытаются подогнать полученные данные под свои лучшие модели того, как работает Вселенная. Возможно, более точные измерения решат их проблемы, или, может быть, напряжение является просто артефактом чего-то обыденного, например, особенностей используемых инструментов.

Или, может быть, модели неверны, и потребуются новые идеи — «новая физика».

«Либо мы недостаточно умны, чтобы придумать модель, которая на самом деле соответствует всему», — сказал Хилл, либо «на самом деле может быть задействовано несколько частей новой физики».

Что это может быть? Возможно, новое фундаментальное силовое поле, сказал Хилл, или взаимодействия между частицами темной материи, которые мы еще не понимаем, или новые ингредиенты, которые еще не являются частью нашего описания Вселенной.

Некоторые новые физические модели корректируют темную энергию, добавляя волну космического ускорения в первые моменты существования Вселенной, до того, как электроны и протоны слились друг с другом. «Если бы скорость расширения можно было каким-то образом увеличить, хотя бы немного, ненадолго в ранней Вселенной», — сказал Марк Камионковски, космолог из Университета Джонса Хопкинса, «вы можете разрешить противоречие с Хабблом».

Камионковски и один из его аспирантов предложили эту идею в 2016 году, а два года спустя они нарисовал несколько подписей что должен быть способен увидеть космический микроволновый фоновый телескоп высокого разрешения. И космологический телескоп Атакамы, расположенный на горе в Чили, действительно увидел некоторые из этих сигналов. Но с тех пор другие ученые показали, что модель создает проблемы с другими космическими измерениями.

Такая точно настроенная модель, в которой дополнительный тип темной энергии вспыхивает на мгновение, а затем затухает, слишком сложна, чтобы объяснить происходящее, сказал он. Драган Хутерер, космолог-теоретик из Мичиганского университета. А другие предлагаемые решения проблемы Хаббла, как правило, еще хуже соответствуют наблюдениям. Они «безнадежно настроены», сказал он, как истории, которые слишком специфичны, чтобы соответствовать давней идее о том, что более простые теории имеют тенденцию побеждать сложные.

Данные, которые появятся в следующем году, могут помочь. Сначала будут результаты команды Фридмана, изучающей различные исследования скорости расширения поблизости. Затем, в апреле, исследователи представят первые данные крупнейшего на сегодняшний день космологического исследования неба — Спектроскопического инструмента темной энергии. Позже в этом году команда космологического телескопа Атакама — и исследователи, создающие еще одну карту первичного фона с помощью телескопа Южного полюса — вероятно, опубликуют свои подробные результаты микроволнового фона в более высоком разрешении. Наблюдения за более отдаленным горизонтом будут осуществляться с помощью космического телескопа «Евклид» Европейского космического агентства, запущенного в июле, и обсерватории Веры К. Рубин, аппарата для картографирования всего неба, строящегося в Чили и который будет полностью введен в эксплуатацию в 2025 году.

Вселенной может быть 13.8 миллиардов лет, но наши попытки понять ее – и наше место в ней – все еще находятся в зачаточном состоянии. Все в космологии совпало всего 15 лет назад, в краткий период затишья, оказавшегося миражом. Трещины, появившиеся десять лет назад, широко раскололись, создав еще большие разломы в любимой модели космологии.

«Теперь, — сказал Ди Валентино, — все изменилось».

Примечание редактора: многие ученые, упомянутые в этой статье, получили финансирование от Фонд Симонс, который также финансирует этот редакционно независимый журнал. Решения о финансировании Фонда Саймонса не влияют на наше покрытие. Более подробная информация доступен здесь.