Как (почти) ничто не может решить самые большие вопросы космологии | Журнал Кванта

Подобно яркому городу посреди бесплодной пустыни, наши галактические окрестности окутаны космической пустотой — огромным, почти непостижимо пустым карманом космоса. Недавно обзоры неба обнаружили еще тысячи таких пустых пузырей. Теперь исследователи нашли способ извлечь информацию из этих космических пустот: подсчитав, сколько их существует в объеме пространства, ученые разработали новый способ исследовать два самых сложных вопроса космологии.

«Это самый первый случай, когда мы использовали пустые числа для извлечения космологической информации», — сказал он. Алиса Пизани, космолог из Принстонского университета и Института Флэтайрон, автор новый препринт описывая работу. «Если мы хотим раздвинуть границы науки, нам нужно выйти за рамки того, что уже сделано».

Исследователи искали новые инструменты отчасти потому, что им предстоит решить несколько больших загадок. Первая и самая озадачивающая — это скорость, с которой расширяется Вселенная, величина, известная как постоянная Хаббла. Более десяти лет ученые пытались согласовать противоречивые измерения этой скорости, а некоторые даже называли эту проблему самый большой кризис в космологии.

Кроме того, у исследователей противоречивые измерения комковатости космического вещества — средней плотности крупномасштабных структур, темной материи, галактик, газа и пустот, распределенных по Вселенной в зависимости от времени.

Как правило, астрономы измеряют эти значения двумя взаимодополняющими способами. Любопытно, что эти два метода дают разные значения как для постоянной Хаббла, так и для так называемой силы кластеризации материи.

В своем новом подходе Пизани и ее коллеги используют космические пустоты для оценки обоих значений. И их первые результаты, которые, кажется, гораздо больше согласуются с одним из традиционных методов, чем с другим, теперь вносят свои сложности в и без того чреватое разногласие.

«Напряженность Хаббла длится уже десять лет, потому что это сложная проблема», — сказал он. Адам Рисс, астроном из Университета Джона Хопкинса, который использует сверхновые звезды для оценки постоянной Хаббла. «Очевидные проблемы были проверены, и данные улучшились, поэтому дилемма усугубляется».

Теперь есть надежда, что почти ничего не изучая, можно сделать что-то большое.

Строительные пузыри

Пустоты — это области пространства, которые в среднем менее плотны, чем Вселенная. Их границы определяются огромными слоями и нитями галактик, сплетенными по всему космосу. Некоторые пустоты простираются на сотни миллионов световых лет, и вместе эти пузыри составляют не менее 80% объема Вселенной. Однако долгое время на них никто не обращал особого внимания. «Я начал свое исследование в 2011 году, имея около 200 пустот», — сказал Пизани. «Но сейчас у нас около 6,000».

Пузыри имеют тенденцию расширяться, потому что внутри них не так много материи, которая могла бы оказывать внутреннее гравитационное притяжение. Вещи вне их, как правило, остаются в стороне. И любые галактики, которые начинаются внутри пустоты, вытягиваются наружу гравитационным притяжением структур, определяющих край пустоты. Из-за этого в пустоте «происходит очень мало», сказал Пизани. «Нет никаких слияний, никакой сложной астрофизики. Благодаря этому с ними очень легко иметь дело».

Но форма каждой пустоты различна, что может затруднить их идентификацию ученым. «Мы хотим убедиться, что наши пустоты надежны», — сказал Пизани. «Насколько он должен быть пустым и как его измерить?»

Оказывается, определение «ничего» зависит от типа информации, которую астрономы хотят извлечь. Пизани и его коллеги начали с математического инструмента под названием диаграмма Вороного, который идентифицирует формы, составляющие трехмерную мозаику. Эти диаграммы обычно используются для изучения таких вещей, как пузырьки в пене и клетки в биологических тканях.

В текущей работе Пизани и ее коллеги адаптировали свою мозаику Вороного, чтобы идентифицировать около 6,000 пустот в данных огромного галактического картографического проекта, называемого Спектроскопический обзор барионных колебаний (БОСС).

«Пустоты дополняют каталог галактик», — сказал Бенджамин Вандельт, астрофизик из Сорбоннского университета в Париже, не участвовавший в исследовании. «Это новый способ исследовать космическую структуру».

Получив карту пустот, Пизани и его коллеги отправились посмотреть, что она может рассказать о расширяющейся Вселенной.

Что-то из ничего

Каждая космическая пустота — это окно в великий космический конфликт. С одной стороны, есть темная энергия, таинственная сила, которая заставляет нашу вселенную расширяться еще быстрее. Темная энергия присутствует даже в пустом пространстве, поэтому она доминирует в физике пустоты. На другой стороне конфликта есть гравитация, которая пытается стянуть пустоту воедино. И тогда комковатость материи добавляет к пустотам морщины.

Пизани и ее коллеги, в том числе София Контарини из Болонского университета смоделировали, как расширение Вселенной повлияет на количество пустот разного размера. В их модели, в которой некоторые другие космологические параметры оставались постоянными, более медленная скорость расширения приводила к более высокой плотности более мелких и смятых пустот. С другой стороны, если бы расширение было более быстрым и материя не собиралась так легко, они ожидали найти больше большие, гладкие пустоты.

Затем группа сравнила прогнозы своей модели с наблюдениями опроса BOSS. Исходя из этого, они смогли оценить как комковатость, так и постоянную Хаббла.

Затем они сопоставили свои измерения с двумя традиционными способами измерения этих значений. Первый метод использует тип космического взрыва, называемый сверхновой типа Ia. Второй основан на космическом микроволновом фоне (CMB), излучении, оставшемся после Большого взрыва.

Данные о войдах показали постоянную Хаббла, которая отличалась менее чем на 1% от оценки реликтового излучения. Результат для комковатости был более запутанным, но он также больше соответствовал реликтовому излучению, чем сверхновым типа Ia.

Удивительно, но пустоты в обзоре BOSS расположены ближе в пространстве и времени к более поздним сверхновым типа Ia, поэтому немного удивительно, что измерения пустот более точно совпадают с первичным реликтовым излучением. Однако Вандельт предположил, что результаты могут открыть новое понимание Вселенной.

«Есть одно глубокое озарение, от которого у меня встают волосы», — сказал он. Внутри пустот структуры никогда не формировались и не развивались, поэтому пустоты «являются временными капсулами ранней Вселенной».

Другими словами, если физика ранней Вселенной отличалась от физики сегодняшнего дня, пустоты могли ее сохранить.

Будущее отсутствия

Другие считают, что еще слишком рано делать какие-либо выводы из новых результатов.

Даже с тысячами пустот, погрешности исследования все еще слишком велики, чтобы сказать что-либо окончательное. «Этот анализ очень хорошо сделан», — сказал Рут Дюррер, физик-теоретик из Женевского университета, не принимавший участия в исследованиях. Но, отметил Даррер, результаты еще не достигли статистической значимости. «Если Алиса хочет быть в клубе удивительно хороших постоянных измерений Хаббла, она должна достичь предела в 1%, что является огромной проблемой», — сказал Дюррер.

Пизани сказала, что считает эту работу доказательством концепции. Вероятно, потребуется еще одно десятилетие — и помощь будущих миссий, таких как космический телескоп NASA Nancy Grace Roman и обсерватория SPHEREx, — чтобы накопить достаточно данных о пустотах, чтобы они соответствовали противоречивым измерениям CMB и сверхновых типа Ia.

Дюррер также указывает, что, возможно, все эти аргументы — попытки примирить космические противоречия — это много шума из ничего, и что разногласия в наблюдениях могут указывать на реальность, которую ученые не должны пытаться стереть.

«Группы сверхновых и реликтового излучения проводят очень, очень разные измерения», — сказала она. «Таким образом, может быть новая физика, которая объясняет, почему мы не должны видеть одно и то же».

Примечание редактора: Элис Пизани получает 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.