Конфлікт космічних чисел кидає виклик нашій найкращій теорії Всесвіту | Журнал Quanta

На початку 2000-х років здавалося, що космологи розгадали найбільшу та найскладнішу головоломку з усіх: як працює Всесвіт.

«Був дивовижний момент, коли раптом усі шматки космології зійшлися разом», — сказав Дж. Колін Хілл, космолог-теоретик Колумбійського університету.

Усі способи вивчення Всесвіту — картографування галактик та їхніх великих структур, уловлювання катастрофічних зіркових вибухів, які називаються надновими, обчислення відстаней до змінних зірок, вимірювання залишкового космічного світіння раннього Всесвіту — розповідали історії, які «здавалося, перетиналися», — сказав Хілл.

Клей, який скріплював ці історії, був відкритий кількома роками раніше, у 1998 році: темна енергія, таємнича сила, яка замість того, щоб склеювати космос, якимось чином змушує його розширюватися все швидше, замість того, щоб уповільнюватися з часом. Коли вчені включили це космічне щось у свої моделі Всесвіту, теорії та спостереження злилися. Вони розробили те, що зараз відомо як стандартна модель космології, яка називається лямбда-CDM, згідно з якою темна енергія становить майже 70% Всесвіту, а інша таємнича темна сутність — тип невидимої маси, яка, здається, взаємодіє лише зі звичайною матерією. через силу тяжіння — становить близько 25%. Решта 5% — це все, що ми можемо побачити: зірки, планети та галактики, які астрономи вивчали протягом тисячоліть.

Але той момент спокою був лише короткою перепочинком між часами боротьби. У міру того, як астрономи проводили точніші спостереження Всесвіту протягом космічного часу, у стандартній моделі почали з’являтися тріщини. Деякі з перших ознак проблеми виникли в результаті вимірювань змінні зірки та наднові у кількох сусідніх галактиках — спостереження, які, порівнюючи із залишковим космічним світінням, свідчать про те, що наш Всесвіт діє за іншими правилами, ніж ми думали, і що важливий космологічний параметр, який визначає, наскільки швидко Всесвіт розлітається, змінюється, коли ви виміряти його різними мірками.

У космологів була проблема — те, що вони називали напругою, або, у більш драматичні моменти, а криза.

Ці неузгоджені вимірювання стали більш виразними лише через десять років з часу появи перших тріщин. І ця розбіжність — не єдиний виклик стандартній моделі космології. Спостереження за галактиками показують, що спосіб, яким космічні структури згуртувалися з часом може відрізнятися від нашого найкращого розуміння того, як сьогоднішній Всесвіт мав вирости із насіння, закладених у ранньому космосі. І ще більш тонкі невідповідності випливають із детальних досліджень самого раннього світла Всесвіту.

Є й інші невідповідності. «Існує ще багато менших проблем в інших місцях», — сказав Елеонора Ді Валентино, космолог-теоретик Шеффілдського університету. «Ось чому це дивно. Тому що це не тільки ці великі проблеми».

Щоб пом'якшити цю напругу, космологи застосовують два взаємодоповнюючі підходи. По-перше, вони продовжують проводити точніші спостереження космосу в надії, що кращі дані відкриють підказки щодо того, як діяти далі. Крім того, вони знаходять способи тонко налаштувати стандартну модель, щоб пристосуватись до несподіваних результатів. Але ці рішення часто є надуманими, і якщо вони вирішують одну проблему, вони часто погіршують інші.

"Ситуація зараз виглядає як великий безлад", - сказав Хілл. «Я не знаю, що з цим робити».

Викривлене світло

Щоб охарактеризувати наш Всесвіт, вчені використовують декілька чисел, які космологи називають параметрами. Фізичні об’єкти, до яких відносяться ці значення, є шестернями гігантської космічної машини, де кожен біт з’єднаний з іншими.

Один із цих параметрів стосується того, наскільки сильно маса злипається разом. Це, у свою чергу, говорить нам дещо про те, як працює темна енергія, оскільки її прискорення назовні суперечить гравітаційному тяжінню космічної маси. Для кількісної оцінки нерівності вчені використовують змінну під назвою S₈. Якщо значення дорівнює нулю, то всесвіт не має змін і структури, пояснюється Сунао Сугіяма, спостережний космолог з Університету Пенсільванії. Це схоже на рівну безлику прерію, де немає навіть мурашника, який би розбивав ландшафт. Але якщо S₈ ближче до 1, Всесвіт схожий на величезний зубчастий гірський хребет із масивними згустками щільної матерії, розділеними долинами небуття. Спостереження, зроблені космічним кораблем «Планк» у дуже ранньому Всесвіті — де зародилися перші зародки структури — знаходять значення 0.83.

Але спостереження недавньої космічної історії не зовсім згодні.

Щоб порівняти громіздкість сучасного Всесвіту з вимірюваннями новонародженого космосу, дослідники досліджують, як матерія розподілена на великих смугах неба.

Облік видимих ​​галактик — це одне. Але картографування невидимої мережі, на якій лежать ці галактики, є іншим. Щоб зробити це, космологи розглядають крихітні викривлення світла галактик, оскільки шлях, який проходить світло, проходячи крізь космос, деформується, коли світло відхиляється гравітаційною силою невидимої матерії.

Вивчаючи ці спотворення (відомі як слабке гравітаційне лінзування), дослідники можуть простежити розподіл темної матерії вздовж шляхів, якими пройшло світло. Вони також можуть оцінити, де знаходяться галактики. Маючи в руках обидві частини інформації, астрономи створюють 3D-карти видимої та невидимої маси Всесвіту, що дозволяє їм вимірювати, як ландшафт космічної структури змінюється та зростає з часом.

За останні кілька років три дослідження зі слабкими лінзами нанесли на карту великі ділянки неба: дослідження темної енергії (DES), яке використовує телескоп у пустелі Атакама в Чилі; Кілоградусне дослідження (KIDS), також у Чилі; і нещодавно, п’ятирічний огляд камери Hyper Suprime-Cam (HSC) телескопа Subaru на Гаваях.

Кілька років тому були проведені опитування DES і KIDS S₈ значення, нижчі за значення Планка, що передбачає менші гірські хребти та нижчі вершини, ніж те, що встановив первісний космічний бульйон. Але це були лише спокусливі натяки на недоліки в нашому розумінні того, як космічні структури ростуть і конгломератуються. Космологам було потрібно більше даних, і вони з нетерпінням чекали результатів Subaru HSC, які були опубліковані у серії з п’яти статей у грудні.

Команда Subaru HSC обстежила десятки мільйонів галактик, які займають близько 416 квадратних градусів на небі, або еквівалент 2,000 повних місяців. На своєму клаптику неба команда обчислила an S₈ значення 0.78 — відповідає початковим результатам попередніх досліджень і менше, ніж виміряне значення телескопа «Планк» за спостереженнями випромінювання раннього Всесвіту. Команда Subaru обережно заявляє, що їхні вимірювання лише «натякають» на напругу, оскільки вони не зовсім досягли рівня статистичної значущості, на який покладаються вчені, хоча вони працюють над тим, щоб додати до своїх даних ще три роки спостережень.

“Якщо це S₈ Напруга справді правдива, є щось, чого ми ще не розуміємо», – сказав Сугіяма, який керував одним із аналізів Subaru HSC.

Зараз космологи вивчають деталі спостережень, щоб виявити джерела невизначеності. Для початку команда Subaru оцінила відстані до більшості своїх галактик на основі їх загального кольору, що могло призвести до неточностей. «Якщо ви неправильно оцінили [середню] відстань, ви також отримаєте неправильні деякі з ваших космологічних параметрів, які вас цікавлять», — сказав член команди. Рейчел Мандельбаум Університету Карнегі-Меллона.

Крім того, ці вимірювання непросто зробити, оскільки їх інтерпретація складна. І різниця між спотвореним виглядом галактики та її фактичною формою — ключем до ідентифікації невидимої маси — часто дуже мала, сказав Діана Сконьямільо Лабораторії реактивного руху NASA. Крім того, розмиття від земної атмосфери може дещо змінити форму галактики, що є однією з причин, чому Скогнамільо веде аналіз слабких лінз за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба NASA.

Ще більше плутанини додають вчені з команд DES і KIDS нещодавно повторно проаналізували свої вимірювання разом і похідні S₈ значення ближче до результатів Планка.

Тож поки що картина заплутана. І деякі космологи ще не переконані, що різні S₈ вимірювання знаходяться в напрузі. «Я не думаю, що тут є очевидний натяк на серйозну катастрофічну невдачу», — сказав Гілл. Але, додав він, «неправдоподібно, що може відбуватися щось цікаве».

Там, де очевидні тріщини

Десяток років тому вчені побачили перші натяки на проблеми з вимірюваннями ще одного космологічного параметра. Але знадобилися роки, щоб накопичити достатньо даних, щоб переконати більшість космологів, що вони мають справу з повною кризою.

Коротше кажучи, вимірювання швидкості розширення Всесвіту сьогодні — відомі як постійна Хаббла — не відповідають значенню, яке ви отримуєте при екстраполяції з раннього Всесвіту. Головоломка стала відомою як напруга Хаббла.

Щоб розрахувати постійну Хаббла, астрономам потрібно знати, наскільки далеко знаходяться об’єкти. У сусідньому космосі вчені вимірюють відстані за допомогою зірок, які називаються змінними цефеїдами, яскравість яких періодично змінюється. Існує добре відома залежність між тим, як швидко одна з цих зірок коливається від найяскравішої до найслабшої, і тим, скільки енергії вона випромінює. Це співвідношення, яке було відкрито на початку 20-го століття, дозволяє астрономам обчислити власну яскравість зірки, і, порівнюючи її з тим, наскільки яскравою вона виглядає, вони можуть обчислити відстань до неї.

Використовуючи ці змінні зірки, вчені можуть виміряти відстані до галактик на відстані до 100 мільйонів світлових років від нас. Але щоб побачити трохи далі та трохи далі в часі, вони використовують яскравіший маркер милі — особливий тип зіркового вибуху, який називається надновою типу Ia. Астрономи також можуть розрахувати власну яскравість цих «стандартних свічок», що дозволяє їм вимірювати відстані до галактик, віддалених на мільярди світлових років.

Протягом останніх двох десятиліть ці спостереження допомогли астрономам визначити, наскільки швидко розширюється Всесвіт: приблизно 73 кілометри на секунду на мегапарсек, що означає, що, дивлячись далі, на кожен мегапарсек (або 3.26 мільйона світлових років). ) відстані космос відлітає на 73 кілометри за секунду швидше.

Але ця цінність суперечить цінності, яка походить від іншого правителя, вбудованого в дитячий всесвіт.

На самому початку Всесвіт палав плазмою, супом із фундаментальних частинок і енергії. "Це був жахливий безлад", - сказав Вівіан Пулен-Детоль, космолог Університету Монпельє.

За частку секунди космічної історії якась подія, можливо, період екстремального прискорення, відомий як інфляція, викликала поштовхи — хвилі тиску — через каламутну плазму.

Потім, коли Всесвіт охолоджувався, світло, яке потрапило в елементарний плазмовий туман, нарешті вирвалося. Це світло — космічний мікрохвильовий фон, або CMB — виявляє ці перші хвилі тиску, подібно до того, як поверхня замерзлого озера тримається на гребнях хвиль, що перекриваються, застиглих у часі, сказав Пулен-Детоль.

Космологи виміряли найпоширенішу довжину хвилі замороженого тиску та використали її для розрахунку значення постійної Хаббла 67.6 км/с/Мпк, з невизначеністю менше 1%.

Дивно суперечливі значення — приблизно 67 проти 73 — розпалили палку дискусію в космології, яка досі не вирішена.

Астрономи звертаються до незалежних маркерів космічної милі. За останні шість років, Венді Фріман Чиказького університету (який працював над сталою Хаббла чверть століття) зосередився на типі старої червоної зірки, яка зазвичай живе у зовнішніх частинах галактик. Там менше яскравих зірок, що перекриваються, і менше пилу можуть сприяти більш чітким вимірюванням. Використовуючи ці зірки, Фрідман та її колеги виміряли швидкість розширення близько 70 км/с/Мпк — «що насправді досить добре узгоджується з цефеїдами», — сказала вона. «Але це також добре узгоджується з мікрохвильовим фоном».

Тепер вона звернулася до потужного інфрачервоного ока JWST, щоб підійти до проблеми. Зі своїми колегами вона вимірює відстані до цих гігантських червоних зірок в 11 сусідніх галактиках, водночас вимірюючи відстані до цефеїд і типу пульсуючої вуглецевої зірки в тих самих галактиках. Вони очікують опублікувати результати десь цієї весни, але вже зараз, за ​​її словами, «дані виглядають справді вражаючими».

«Мені дуже цікаво побачити, що вони знайдуть», — сказав Хілл, який працює над вивченням моделей Всесвіту. Чи розширять ці нові спостереження тріщини в улюбленій моделі космології?

Нова модель?

Оскільки спостереження продовжують обмежувати ці важливі космологічні параметри, вчені намагаються підібрати дані до своїх найкращих моделей того, як працює Всесвіт. Можливо, більш точні вимірювання вирішать їхні проблеми, а може, напруга є просто артефактом чогось буденного, як-от особливості інструментів, які використовуються.

А може бути, моделі помилкові, і знадобляться нові ідеї — «нова фізика».

«Або нам не вистачило розуму, щоб створити модель, яка насправді відповідає всьому», — сказав Хілл, або «насправді може бути багато частин нової фізики».

Якими вони можуть бути? Можливо, нове фундаментальне силове поле, сказав Хілл, або взаємодія між частинками темної матерії, яку ми ще не розуміємо, або нові інгредієнти, які ще не є частиною нашого опису Всесвіту.

Деякі нові фізичні моделі змінюють темну енергію, додаючи сплеск космічного прискорення в ранні моменти Всесвіту, до того, як електрони та протони зіткнуться один з одним. «Якби швидкість розширення можна було якимось чином збільшити, лише трохи на деякий час у ранньому Всесвіті», — сказав Марк Каменковскі, космолог з Університету Джона Гопкінса, «ви можете вирішити проблему Хаббла».

Камьонковський та один із його аспірантів запропонували цю ідею в 2016 році, а через два роки вони намітив деякі підписи що космічний мікрохвильовий фоновий телескоп з високою роздільною здатністю повинен бачити. І космологічний телескоп Атакама, розташований на горі в Чилі, дійсно побачив деякі з цих сигналів. Але з тих пір інші вчені показали, що модель створює проблеми з іншими космічними вимірюваннями.

Такого роду точно налаштована модель, де додатковий тип темної енергії виникає на мить, а потім згасає, є надто складною, щоб пояснити, що відбувається, сказав Драган Хутерер, космолог-теоретик Мічиганського університету. А інші запропоновані рішення щодо напруги Хаббла, як правило, ще гірше збігаються зі спостереженнями. Вони «безнадійно налаштовані», сказав він, як просто так історії, які надто специфічні, щоб відповідати давній ідеї про те, що простіші теорії, як правило, перемагають складніші.

Дані, які надійдуть наступного року, можуть допомогти. Спочатку будуть результати команди Фрідмана, яка досліджуватиме різні зонди швидкості розширення поблизу. Потім у квітні дослідники покажуть перші дані найбільшого космологічного дослідження неба на сьогоднішній день, Спектроскопічного інструменту темної енергії. Пізніше цього року команда космологічного телескопа Атакама — і дослідники, які створюють ще одну первинну фонову карту за допомогою телескопа Південного полюса — ймовірно, опублікують свої детальні результати мікрохвильового фону з вищою роздільною здатністю. Спостереження на більш віддаленому горизонті здійснюватимуться за допомогою космічного телескопа Європейського космічного агентства «Евклід», який був запущений у липні, і обсерваторії Віри С. Рубін, машини для картографування всього неба, яка будується в Чилі і повністю запрацює в 2025 році.

Всесвіту може бути 13.8 мільярдів років, але наші прагнення зрозуміти його — і наше місце в ньому — все ще знаходяться в зародковому стані. Усе в космології зійшлося лише 15 років тому, у короткий період спокою, який виявився міражем. Тріщини, які з’явилися десять років тому, широко розкололися, утворюючи ще більші розколини в улюбленій моделі космології.

«Тепер, — сказав Ді Валентино, — усе змінилося».

Примітка редактора: кілька вчених, згаданих у цій статті, отримали фінансування від Фонд Сімонса, яка також фінансує цей редакційно незалежний журнал. Рішення про фінансування Фонду Саймонса не впливають на наше покриття. Детальніше є можна ознайомитися тут.