Мы неправильно измерили расширение Вселенной?!

Новые данные о расширении вселенной

Новые исследования самого старого света и звука в космосе предполагают, что новая физика, а не систематические ошибки, могла бы объяснить неразгаданную научную тайну.

Космический микроволновый фон

Это было сразу же после большого взрыва, и вселенная была наполнена горячей плазмой — энергетическим супом частиц и радиации. Хотя эта плазма была удивительно гладкой, она не была полностью гладкой. По словам Ллойда Нокса, космолога из Калифорнийского университета в Дэвисе, были небольшие градиенты плотности и давления, которые собирали материю вокруг себя.

Взрыв произошел повсюду, настолько сильно, что мы все еще можем почувствовать его 13,8 миллиарда лет спустя. Он был обнаружен непосредственно в космическом микроволновом фоне, послесвечение, оставшееся от затухающего огненного шара большого взрыва, и он был тщательно проанализирован с помощью той же базовой физики, которая использовалась для изучения структуры Солнца. Фактически, изначальная реверберация настолько хорошо измерена и смоделирована, что использовалась для определения точной скорости, с которой расширяется вселенная, числа, известного как постоянная Хаббла. Эта константа, в свою очередь, является краеугольным камнем нашего современного понимания размеров, возраста и структуры космоса.

Но этот кажущийся триумф недавно привел Нокса и его коллег в противоречие и замешательство. Если преобладающие теории вселенной космологов верны, то все способы вычисления постоянной Хаббла в современную эпоху должны дать один и тот же ответ. Значение, полученное путем экстраполяции древнего излучения, должно точно совпадать со значением, полученным в результате независимых исследований света от далеких звезд и галактик. На самом деле, серия исследований показывает, что два подхода приводят к неприятным разногласиям — и чем более старательно исследователи решают проблему, тем более определенным кажется конфликт.

Одна возможность состоит в том, что кто-то «глупый». Однако, по мере накопления доказательств, Нокс пришел к еще одной возможности: вина лежит не на его коллегах, а на самой вселенной. Если это так, то выяснение того, почему пространство не излучает так, как они ожидали, может привести космологов к ранее неизвестной физике, потенциально раскрывая совершенно новый аспект реальности. Нокс и его соавторы исследуют эту заманчивую возможность в новом исследовании, которое должно появиться в Астрофизическом журнале.

В погоне за горизонтом

В своей работе Нокс и компания сосредотачивают свое внимание на горизонте излучения, неясном, но важном аспекте того, как космологи изучают раннюю вселенную. После большого взрыва излучение, создаваемые смешением света и вещества, свободно распространялись по горячей, заполненной плазмой вселенной. Спустя примерно 380 000 лет вещество достаточно остыло, чтобы образовать атомы, отделившись от света и ослабив излучение. Внезапно излучение прекратилось, и последний, застывший образец волн в ярком свете, который мы видим сегодня на фоне космического микроволнового излучения, окончательно запечатлился.

Большой взрыв и расширение вселенной

Горизонт излучения определяет размер этих финальных волн. «Как далеко будут распространяться волновые возмущения к моменту исчезновения плазмы? Это расстояние — горизонт излучения», — говорит Нокс.

Подобно тому, как вы можете интуитивно оценить свойства колокола по тому, как он звонит (маленький стеклянный колокол звучит совершенно иначе, чем большой латунный), исследователи могут вывести точные свойства вселенной из ее «звуков», записанных на микроволновом фоне. Именно так они могут с уверенностью заявить, что космос состоит из 4,8 % обычной материи, 26% невидимого вещества, известного как темная материя, и 69% темной энергии — загадочной антигравитационной силы, которая растягивает пустое пространство. Более того, для нашей истории это также способ, которым они могут получить скорость расширения вселенной с высокой точностью.

В 2015 году огромная команда во главе с Джорджем Эфстатиу из Кембриджского университета начала анализ микроволновых измерений с космического корабля Planck Европейского космического агентства и раскрыла жизненные характеристики Вселенной. Их результаты показали, что вселенная расширяется со скоростью 67,8 км/с на мегапарсек («мегапарсек» — единица расстояния, равная 3,26 млн. световых лет). Космологи обычно отбрасывают этот кусок в конце и просто говорят, что постоянная Хаббла находится между 67 и 68.

Между тем конкурирующие группы астрономов изучали расширение Вселенной совершенно иным способом, отыскивая переменные звезды или взрывы сверхновых на известном расстоянии, а затем непосредственно измеряя, насколько быстро они удаляются от нас. Этот метод «дистанционной лестницы» сложнее, чем кажется. Подсчет расстояний на протяжении многих миллионов световых лет является тонкой и трудоемкой задачей, связанной с возможностью возникновения многих видов систематических ошибок. Неправильно определите местоположение звезды, и весь расчет будет ошибочным.

«Каждый раз, когда вы повышаете точность, вы должны перейти на новый уровень с систематикой. Это то, что не дает мне спать по ночам », — говорит Венди Фридман из Чикагского университета, которая более трех десятилетий занимается постоянной проблемой Хаббла. Неуклонно опуская неопределенности и опираясь на последние наблюдения переменных звезд, ее группа пришла к своему высокоточному ответу на постоянную: 73,2 — и в этом заключается противоречие. «Это впечатляющий прогресс, когда эти два числа согласуются с точностью до 10%», — говорит она, но грубое соглашение уже недостаточно хорошее. «Панели ошибок, конечно, не перекрываются, и нет ничего очевидного, что могло бы вызвать разницу». Чтобы определить любые не очевидные проблемы, она разрабатывает новый тип измерения расстояния, используя красные гигантские звезды в качестве опорных точек. В то же время она проводит двойной слепой эксперимент, чтобы повторно проанализировать все имеющиеся у нее данные на предмет предвзятости и ошибок.

Космологи с обеих сторон также обращаются за помощью к внешним группам. Пока что эти судьи только углубляют тайну. Исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в котором рассматривается, как свет изгибается далекими галактиками, дает постоянную Хаббла, равную 72,5, что близко к результату расстояния «дистанционной лестницы». Между тем, столь же убедительное исследование, в котором рассматривается, как первичное излучение влияет на распределение галактик в современной вселенной, дает константу — как вы уже догадались — 67. Расчеты постоянной Хаббла, привязанной к горизонту излучения, последовательно дают меньшее число, чем те, которые основаны на наблюдениях звезд и галактик — и никто не знает почему.

Комплекс тёмного космоса?

Тёмная материя

Есть один способ, которым все измерения могут быть правильными, и это если что-то не так с интерпретациями этих измерений учеными. Нокс отмечает, что все, что мы знаем о происхождении горизонта излучения, зависит от теоретической модели поведения Вселенной в течение ее невидимых первоначальных 380 000 лет. Если модели ошибочны и размер горизонта излучения отличается от того, что они предсказывают, эта корректировка изменит все полученные из нее числа, включая постоянную Хаббла. «Если есть космологическое решение, оно должно привести к меньшему горизонту излучения», — говорит Нокс. Сократите его всего на 7 процентов, и все исследования счастливо согласуются друг с другом. Проблема в том, что не совсем понятно, что может быть причиной такого сокращения. Практически во всех отношениях модель и наблюдения тесно связаны друг с другом.

«Было очень сложно придумать ответ, который все прекрасно объясняет. Это должно быть что-то сложное, потому что мы уже испробовали все простые вещи », — говорит Мариус Миллеа, исследователь в Центре космологической физики Беркли и один из соавторов Нокса. Он отмечает, что гораздо проще отмечать вещи, которые не работают: неоткрытый вид нейтрино?Нет. Новый тип взаимодействия между фотонами? Все они конфликтуют с данными.

Наиболее убедительным объяснением, по мнению Нокса, является то, что очень ранняя вселенная расширялась немного быстрее, чем ожидалось. Если это так, она бы охладилась быстрее и заморозила бы горизонта излучения чуть раньше. Тогда горизонта излучения будет меньше, чем те, которые теоретики подключили к своим моделям, и — проблема решена! Или, скорее, тогда проблема снова возникнет, потому что теперь вам нужно какое-то объяснение того, что заставило ранний космос расширяться быстрее.

У Нокса есть подозрение. «Потенциально, это ведет нас к новому ингредиенту в « темном секторе », — говорит он, имея в виду универсальный термин космологов для невидимых компонентов вселенной, которые никак не взаимодействуют с излучением. Исследователи уже призывают темную материю, чтобы объяснить галактическое движение и темную энергию, чтобы объяснить ускоряющееся расширение вселенной. Нокс утверждает, что расходящиеся измерения постоянной Хаббла могут быть первым признаком существования третьего темного компонента — «темного турбо», которое добавляет энергии ранней вселенной, ускоряет ее расширение и изменяет «высоту тона». Связанная с этим возможность — темная энергия имеет более одной формы или изменяется со временем сложными способами. Недавнее исследование 1598 далеких квазаров с использованием рентгеновской обсерватории Чандра НАСА предлагает интригующие, если не предварительные, доказательства для последней интерпретации.

Может показаться обманом призывать что-то новое и невидимое для объяснения запутанного результата, но Нокс смотрит на ситуацию противоположным образом: постоянный конфликт Хаббла может показывать аспект вселенной, который до сих пор полностью ускользал от обнаружения. И он не видит ничего странного в том, что существует множество видов темных элементов. Он указывает, что видимая часть вселенной содержит много различных типов частиц и сил, и спрашивает: не может ли сложная темная сторона вселенной также быть сложной?

Во всяком случае, это не философская дискуссия, а конкретный научный вопрос. Новые наблюдения ранней Вселенной с помощью телескопа Южного полюса в Антарктиде и телескопа Атакама в Чили позволят дополнительно исследовать звуковой горизонт. Нокс также является частью предлагаемого наземного проекта следующего поколения под названием CMB-S4, который призван отобразить поляризацию микроволнового неба с большой чувствительностью.

Достаточно скоро данные установят, преследуют ли ученые ошибки или продвигаются в неизведанном секторе космоса. «Гораздо интереснее, если это окажется фундаментальная новая физика, но мы не хотим, чтобы это было так или иначе», — говорит Фридман.

«Вселенной не важно, что мы думаем!»