Свежие данные заставили астрономов усомниться в общепринятых теориях об устройстве Вселенной. Такие результаты учёные получили, выясняя, как по космосу распределено вещество. Исследователи измерили это распределение массы двумя способами и выяснили, что ответы противоречат друг другу. Но этого не может быть, если верна стандартная космологическая модель, из которой исходили специалисты.
Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics.
Теория жизни, Вселенной и вообще
Наука о происхождении и развитии Вселенной как целого называется космологией. Сегодня в ней господствует стандартная космологическая модель, известная также как модель ΛCDM. Она объединяет теорию о Большом взрыве с представлениями о тёмной материи и тёмной энергии.
В пользу этой модели говорит огромное количество наблюдательных фактов, от реликтового излучения до химического состава звёзд (с подробным списком её подтверждений можно ознакомиться здесь). Тем не менее наблюдатели не устают придумывать для стандартной космологии всё новые тесты.
"Самая благородная задача физика-экспериментатора – разрушение теорий", – заявляет первый автор статьи Хендрик Хильдебрандт (Hendrik Hildebrandt) из Рурского университета в Бохуме.
Похоже, на сей раз учёным удалось нащупать слабое место теории (если, конечно, в наблюдениях нет ошибки). И теоретикам придётся изменить стандартную космологию так, чтобы она объясняла новые данные.
Два способа – два результата
Свои странные результаты астрофизики получили, изучая распределение вещества во Вселенной. Это можно сделать как минимум двумя способами. Оба опираются на разные аспекты ΛCDM-модели.
Первый метод основан на наблюдении реликтового излучения, испущенного, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет отроду. Эта работа была выполнена командой проекта Planck.
Второй подход использует гравитационное линзирование. Дело в том, что гравитация массивных объектов отклоняет лучи света, работая как линза. Измеряя искажения, которые претерпел свет далёких галактик, можно восстановить распределение массы между ними и наблюдателем.
Понятно, что распределение массы во Вселенной не зависит от того, как мы его измеряем. И если в наших теориях нет ошибок, то результаты, полученные разными методами, должны совпадать. Но не тут-то было.
В предыдущих исследованиях, независимо выполненных разными группами, получались расхождения между "реликтовым" и "линзирующим" распределением массы. На этот раз учёные включили в анализ новые данные, надеясь таким образом устранить это противоречие. Но вместо этого обнаружили, что оно стало ещё больше. Теперь есть лишь один шанс из ста, что все расчёты верны, а различие вызвано неизбежными погрешностями измерений.
Инфракрасное зрение
Для того чтобы воспользоваться эффектом гравитационного линзирования, нужно знать расстояние до разных источников света. В данном случае в качестве таких далёких свечей, или маяков, выступали миллионы далёких галактик.
Как узнать дистанцию до них? Здесь учёным и требуется ΛCDM-модель, точнее, её часть: закон Хаббла. Он связывает красное смещение с расстоянием до источника света.
Красное смещение галактики можно узнать, измерив её яркость в разных цветах, например, синем, зелёном и красном. Результат получится ещё точнее, если добавить инфракрасные (ИК) данные.
Именно это и сделали сотрудники проекта "Тысячеградусный обзор" (Kilo-Degree Survey, или KiDS). Астрономы измерили яркость галактик в разных диапазонах, включая инфракрасный, в области неба площадью 450 квадратных градусов. Хотя это всего 1% от всей небесной сферы, для столь точных измерений это солидный охват.
"Наш набор данных – единственный, основанный на эффекте гравитационного линзирования и откалиброванный с использованием дополнительных инфракрасных данных", – подчёркивает Хильдебрандт.
И этот обзор, в котором благодаря инфракрасным данным расстояния до галактик измерены точнее всего, показывает самое большое расхождение со сведениями, добытыми при анализе реликтового излучения.
Учёные надеялись, что добавление ИК-данных уменьшит противоречие, а всё получилось с точностью до наоборот. Чтобы ещё раз проверить это, авторы дополнили инфракрасными изображениями обзор Dark Energy Survey, который был выполнен другой командой в оптическом диапазоне. И вновь уточнение расстояний до галактик с помощью ИК-данных увеличило расхождение с данными "Планка".
"Этому может быть несколько объяснений, – отмечает Хильдебрандт. – Либо мы или один из других исследовательских консорциумов допустили систематическую ошибку в оценке данных, либо со Стандартной космологической моделью что-то не так".
Перекроить Вселенную
Сейчас команда работает над тем, чтобы включить в выборку ещё большее количество галактик. Это повысит точность измерений и либо ослабит противоречие с данными "Планка", либо усилит его ещё больше.
Не дожидаясь этого момента, авторы задались вопросом, что нужно изменить в ΛCDM-модели, чтобы разногласия между двумя методами исчезли. И нашли ответ.
Они предположили, что свойства тёмной энергии, придающей ускорение расширению Вселенной, меняются со временем. Реликтовое излучение было испущено более 13 миллиардов лет назад, всего через всего 380 тысяч лет после Большого взрыва. А вот наблюдения гравитационного линзирования повествуют о гораздо более поздних эпохах. Конечно, свет далёких галактик тоже был испущен не вчера: ему потребовалось немало времени, чтобы добраться до Земли. Но всё же этот промежуток времени значительно меньше 13 миллиардов лет.
Если предположить, что тёмная энергия за это время изменилась подходящим образом, всё становится на свои места: оба результата согласуются с одним и тем же распределением массы.
Любопытно, что значение постоянной Хаббла, определяющей скорость расширения Вселенной, тоже зависит от того, измерять ли её по данным о реликтовом излучении или другим способом. И это противоречие тоже можно устранить, допустив, что тёмная энергия меняется. Впрочем, всех проблем с постоянной Хаббла это не решит: применив третий способ её измерения, астрономы получили результат, отличающийся от первых двух.
Таким образом, накапливается всё больше свидетельств того, что мы не знаем о мире, в котором живём, чего-то важного. Конечно, какие-то из нынешних выводов наверняка окажутся результатом ошибки исследователей, но другие вполне могут инициировать революцию в науке.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, что заставило астрономов усомниться, что Вселенная расширяется одинаково во все стороны, и даже заговорить о том, что законы природы зависят от направления, в котором мы наблюдаем Вселенную.
