Чем больше ответов, тем больше вопросов

Дело серьезное. Астрономы, астрофизики и физики элементарных частиц собрались 15 июля этого года в Институте теоретической физики Кавли Калифорнийского университета, чтобы обсудить различия в измерениях постоянной Хаббла. Они собрались, чтобы обсудить вопрос, который в последнее время стал главной проблемой астрофизики, — насколько быстро расширяется Вселенная.

Об аномалиях, связанных с измерением скорости расширения Вселенной во времени, называемых постоянная Хаббла, — писали мы в «МТ» год назад. Измерение значения этой «константы» в последнее время имело мало общего с константностью. Расхождения в результатах не устранены, а уже появилось больше данных, что вносит все большую путаницу. Все чаще используется словосочетание «кризис астрофизики», то есть физики в целом.

Каждый меряет своей меркой и у каждого выходит по разному

Первое измерение постоянной Хаббла, связанное с обсуждаемым в настоящее время спором, основано на лестница космических расстояний. Астрономы использовали телескоп «Хаббл» и более новую космическую обсерваторию «Гайя», чтобы измерить их, полагаясь на цефеиды, пульсирующие переменные звезды (1). Это класс звезд, которые предсказуемо изменяют свою яркость, что позволяет астрономам делать выводы об их расстоянии от Земли. Цефеиды использовались и раньше для оценки постоянной Хаббла, но в прошлом году команда заглянула в космос в десять раз глубже, на расстояния от 6 до 12 метров. световых лет. Каждые шесть месяцев в течение четырех лет Хаббл измерял положения выбранных цефеид со скоростью 1. раз в минуту, что снижает погрешность измерения. Таким образом, команда определила новое значение постоянной Хаббла — 73,4 км/с. на мегапарсек (мегапарсек равен 3,3 миллионам световых лет).

1. Три шага к измерению постоянной Хаббла

Однако это значение не соответствует измерениям, сделанным спутником Planck Европейского космического агентства. Оглядываясь назад на очень раннее время и исследуя космический микроволновый фон (CMB) — остаток «великолепия» Большого Взрыва (обложка), Планк оценил постоянную Хаббла в диапазоне от 67 до 69 км/с/Мпк, после чего было уточнено, что постоянная Хаббла должна быть 67,4 км/с/Мпк.

Оба эти измерения считаются правильными и точными. Итак, перед нами проблема, которая не только не решается в последние месяцы, но и при последующих анализах кажется все более и более угрожающей не столько известным моделям расширения Вселенной, но и известной физике. Они существуют три основные гипотезыэто может объяснить различия в измерениях. Однако все они погружаются в область неизведанной физики.

Во-первых, предполагается, что темная энергия может раздвигать галактики сильнее, чем ожидалось, и с возрастающей силой.

Во-вторых, некоторые считают, что темная материя может взаимодействовать с нормальной материей сильнее, чем предполагалось.

Ведь предполагается, что ранее не идентифицированные субатомные частицы («темное излучение«).

Каждый из этих сценариев меняет наши модели Вселенной и приводит к несоответствиям в теориях.

— заявил в июле этого года. Чикагский астроном Венди Фридман (англ.3) в пресс-релизе НАСА. -.

Фридман отвечает за последнее измерение постоянной Хаббла, которое было сделано с использованием другого типа космических ориентиров, чем в предыдущих экспериментах. Ее команда измерила яркость красных гигантов в далеких галактиках. Поскольку эти звезды имеют одинаковый размер и светимость, их расстояние от Земли можно рассчитать легче, чем для других звезд. Работа Фридмана, опубликованная в The Astrophysical Journal, показывает, что Вселенная расширяется со скоростью 69,8 км/с/Мпк. Это медленнее, чем метод лестницы расстояний, но быстрее, чем показывает Планк.

Это не конец. Всего за несколько дней до встречи в Калифорнии исследовательская группа, известная под аббревиатурой H0LiCOW, опубликовала на сервере arXiv.org две статьи, описывающие методы измерения постоянной Хаббла на основе гравитационное линзирование квазаров, яркие источники света, питаемые сверхмассивами в центрах галактик. Их исследования показывают, что постоянная Хаббла 73,3 км/с/Мпк. Важно отметить, что эти ученые проводили «слепые» измерения, то есть скрывали друг от друга результаты анализов до тех пор, пока они не раскрывались, чтобы не было когнитивных ошибок.

Примерно в то же время астроном Марк Рейд из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики обнародовал результаты своих измерений постоянной Хаббла на основе массивные газовые облака вращающиеся вокруг черных дыр, облака которых излучают свет определенной длины волны, подобный лазерному излучению. Его оценка дает значение ок. 74 км/с/Мпк.

На вышеупомянутой встрече в Институте Кавли измерения, основанные на изменчивость блеска галактики (76,5 км/с/Мпк) и еще один вариант метода сверхновых, в котором используются звезды, называемые «типом Мир», вместо цефеид или красных гигантов. (73,6 км/с/Мпк).

Могли ли мы что-то упустить?

Об этом NewScientist сообщил астроном из Университета Дьюка Дэниел Сколник.

Если тупиковая ситуация не может быть объяснена экспериментальной ошибкой, то, по мнению физиков, это будет означать, что в ранней Вселенной произошло что-то очень важное, чего мы не знаем. Есть предположения о новых типах элементарных частиц или о каком-то другом виде темной энергии, но это всего лишь предположение. Многие ученые также отмечают, что оценки скорости расширения, основанные на физике ранней Вселенной, как правило, ниже, чем оценки, основанные на поздней Вселенной. Это может быть подсказкой, ведущей к объяснению, но все еще должно быть подтверждено данными наблюдений, а не только теоретическими соображениями.

Если команда Планка ошибается относительно скорости расширения Вселенной, а сборка лестницы для расстояний верна, то во Вселенной будет слишком мало материи и слишком высокий спектральный индекс (около 0,995), чтобы это соответствовало наблюдениям. Эта, казалось бы, небольшая разница — от 0,96 до 1,00 — однако определенно несовместима с данными.

Итак, кризис?

В настоящее время наиболее точным описанием эволюции и структуры Вселенной является стандартная модель Lambda-CDM (ΛCDM). Согласно ему, Вселенная имеет ненулевую космологическую постоянную (параметр лямбда), которая вызывает ускоренное расширение. Кроме того, модель ΛCDM объясняет наблюдаемую структуру реликтового излучения (космического микроволнового фона), распределение галактик во Вселенной, обилие атомов водорода и других легких атомов, а также скорость самого расширения вакуума. Однако серьезная разница в темпах расширения может свидетельствовать о необходимости кардинального изменения этой модели.

С другой стороны, как признают многие физики, эти несоответствия в конечном итоге не обязательно являются чем-то плохим. В физике элементарных частиц надежда кроется в пробелах и несоответствиях, чтобы разрушить Стандартную модель. Таким потенциалом обладает и «нестабильность» постоянной Хаббла. В конце концов, это не религия, и наука не должна отказываться от ее изменения в случае необходимости. В любом случае, ученые на недавней встрече проголосовали против того, чтобы назвать это кризисом, предполагая, что немногие исследователи в этой области готовы отвергнуть основные теории, лежащие в основе понимания того, как работает Вселенная — по крайней мере, не сейчас.

Вам не нравится Большой взрыв? Предложите что-нибудь получше

Разрешение вышеописанного кризиса — будь то выявление ошибок, допущенных космическим измерителем, или изменение или даже революция в физических теориях — коснется пока малоизученных понятий, последовательно вводимых в науку в течение примерно сотня лет. Мы говорим о темной материи, темной энергии и инфляции, каждая из которых по-своему связана с парадигмой Большого Взрыва.

Стоит напомнить, что задача этих концепций состоит не в описании известных эмпирических явлений, а скорее в поддержании математической непротиворечивости теории с учетом разнонаправленных наблюдений. Так что, по сути, это имена чего-то, что должно существовать, если принятая и признанная теория должна быть верной.

Исторически сложилось так, что законы физики, разработанные Исааком Ньютоном, обеспечили теоретическую основу, которая работала для нашего маленького мира и Солнечной системы с поразительной точностью. Однако по мере увеличения масштабов законы Ньютона перестали действовать. Была создана новая теоретическая база — Теория относительности Эйнштейна, описывая вселенную в более широком смысле.

Открытие явления расширения Вселенной Эдвина Хаббла в 1929 г., а затем открытие микроволнового фонового излучения в 1964 г., вычислив радиус Вселенной в 46 миллиардов световых лет, привели к созданию и более сильному обоснованию гипотезы Большой взрыв. Однако после дальнейшего размышления каждый признает, что любое свидетельство большого первоначального бума является лишь косвенным.

Сама гипотеза Большого взрыва изначально появилась как одно из следствий общей теории относительности. Эйнштейн выдвинул фундаментальное предположение о Вселенной — что она статична как во времени, так и в пространстве — и, чтобы сделать ее уравнения аддитивными, он добавил «космологическую постоянную»; произвольно, как он сам признал. Когда Хаббл заметил, что Вселенная расширяется и теории Эйнштейна уже недостаточно для объяснения этого явления, понятия начальной сингулярностив котором физика, которую мы знаем, ломается. На эту теорию в значительной степени повлияли исследования атомов и их структуры. В начале Вселенной искали что-то вроде первичного атома.

Однако подчеркивается, что теория Большого взрыва верна не потому, что она достаточно доказана, а потому, что никакая альтернативная гипотеза не может объяснить столь хорошо известную нам вселенную, как Многочисленные новые предложения обычно не могут дать других объяснений, таких как температура космического реликтового излучения или образование более тяжелых элементов в космосе. Поэтому ученые не считают Большой взрыв догмой, а спрашивают любого, кто предлагает что-то новое и необычное, может ли его идея лучше объяснить Вселенную. Пока все полагаются на этот вопрос. Возможно, описанный выше кризис, связанный с постоянной Хаббла, является зацепкой, которая приведет к новой модели создания Вселенной (4) — тем более, что существуют теории о том, что темная материя существовала еще до Большого взрыва (это доказывает в том числе и Томми Тенканен из Университета Джона Хопкинса).

Раз возникла одна гипотетическая конструкция, почему наука не может позволить себе большего? Например, чтобы объяснить наблюдения за движением галактик, несовместимые с общей теорией относительности, мы добавили к исчислению массы/энергии темная материя. В 1998 году, когда измерения ускорения галактик, казалось, противоречили границам теории, появилась новая теория о загадочной силе, названной темная энергия — восполнить недостающие примерно 70% энергии/массы Вселенной.

Если мы хотим сохранить математическое единообразие теории Вселенной, нынешняя парадигма космологии требует от нас принять тот факт, что 95% всего — это совершенно неизвестные элементы и силы, для которых у нас пока нет прямых эмпирических доказательств. Мы собрали только косвенные доказательства, как Большой Взрыв. Тогда возникает вопрос, не строили ли физики, которые могли ошибиться где-то по пути или что-то упустить, новые теории, несколько искусственно и насильственно подгоняя новые факты под более ранние модели, не обязательно имеющие прочные основания?

Одно из распространенных когнитивных искажений называется «эффект подтверждения«. И это, пожалуй, проблема современной физики.