Швидкість розширення Всесвіту під великим питанням. Чому фізики не справляються?

наступного разу, коли ви будете їсти кексик з ягодами, подумайте про те, що сталося з чорницею в тесті по мірі випікання солодощі. Чорниця лежала в одному місці, але по мірі розширення булочки ягоди почали віддалятися один від одного. Якщо б ви могли встати на одну ягідку, ви б побачили, як всі інші віддаляються від вас, але то ж справедливо і для будь-якої іншої ягоди, яку ви виберете. У цьому сенсі галактики схожі на ягоди в кексі.

З моменту Великого Вибуху Всесвіт невпинно розширюється. Дивний факт полягає в тому, що немає єдиного місця, з якого розширюється Всесвіт — швидше за все галактик (в середньому) віддаляються від інших. З нашої точки зору в галактиці Чумацький Шлях буде здаватися, що більшість галактик відходить від нас — як ніби ми є центром нашої булочкоподобной всесвіту. Але погляньте з будь-якої іншої галактики — і вид буде точно таким же.

Щоб ще більше заплутати вас, нові дослідження показують, що швидкість розширення Всесвіту може бути різною залежно від того, наскільки далеко назад у часі ви заглядаєте. Нові дані, опубліковані в Astrophysical Journal, вказують на те, що настав час переглянути наше розуміння космосу.

Загадка Хаббла

Космологи характеризують розширення Всесвіту простим законом — законом Хаббла (названим на честь Едвіна Хаббла). Закон Хаббла — це спостереження того, що більш далекі галактики віддаляються швидше. Це означає, що близькі галактики рухаються відносно повільно.

Відносини між швидкістю і відстанню до галактики визначаються постійної Хаббла» — 70 км/с/Мпк. Це означає, що галактики йде на приблизно 90 000 км на годину на кожен мільйон світлових років віддаленості від нас.

Таке розширення Всесвіту, коли найближчі галактики видаляються повільніше віддалених галактик, що очікується від рівномірно розширюється космосу з темною енергією (невидимою силою, яка прискорює розширення Всесвіту) і темною матерією (невідомою і невидимої форми речовини, якого в п'ять разів більше звичайного). Це ж можна спостерігати і в кексі з ягодами.

Історія вимірювання постійної Хаббла сповнена труднощів і несподіваних одкровень. У 1929 році Хаббл вважав, що її значення повинно бути близько 600 000 км на годину на мільйон світлових років — приблизно в десять разів більше, чим вимірюється зараз. Спроби точно виміряти постійну Хаббла протягом багатьох років призвели до випадкового відкриття темної енергії. Пошук інформації про цей загадковий тип енергії, на яку припадає 70% енергії у Всесвіті, надихнув запуск кращого космічного телескопа в світі (на даний момент), названого в честь Хаббла.

Заковика в тому, що результати двох найбільш точних вимірювань не узгоджуються і не співвідносяться між собою. Як тільки космологічні вимірювання стали настільки точними, що показали значення постійної Хаббла, стало очевидно, що це не має сенсу. Замість одного у нас є два суперечливих результату.

З одного боку, у нас є нові точні вимірювання космічного мікрохвильового фону – післясвічення Великого Вибуху – виконані місією «Планка», який виміряв постійну Хаббла як 67,4 км/с/Мпк.

З іншого боку, у нас є нові вимірювання пульсуючих зірок у найближчих галактиках, також неймовірно точні, які виміряли постійну Габл як 73,4 км/с/Мпк. Вони ближче до нас у часі.

Обидва цих вимірювання заявляють свій результат як коректний і дуже точний. Розбіжність вимірювань становить близько 500 км на годину на мільйон світлових років, тому космологи називають його «напругою» між двома вимірами – вони як би розтягують статистику в різні боки, і вона повинна десь луснути.

Нова фізика?

Як же вона схлопнется? На даний момент ніхто не знає. Можливо, наша космологічна модель хибна. Видно, що всесвіт розширюється швидше ближче до нас, ніж ми могли б очікувати, відштовхуючись від більш далеких вимірювань. Вимірювання космічного мікрохвильового фону не вимірюють локальне розширення, а роблять це через модель – нашу космологічну модель. Вона була надзвичайно успішною в прогнозуванні та описі багатьох спостережуваних даних у Всесвіті.

Тому, хоча ця модель може бути неправильною, ніхто не придумав просту переконливу модель, здатну пояснити одночасно і це, і все, що ми спостерігаємо. Наприклад, ми могли б спробувати пояснити це новою теорією гравітації, але тоді інші спостереження не підходять. Чи можна було б пояснити це новою теорією темної матерії або темної енергії, але тоді інші спостереження не підійдуть – і так далі. Тому, якщо це «напруга» пов'язано з новою фізикою, вона повинна бути складною і невідомою.

Менш цікавим поясненням будуть «невідомі невідомі» в даних, викликані систематичними ефектами, і більш ретельний аналіз одного разу виявить тонкий ефект, який був упущений. Або це може бути просто статистична випадковість, яка зникне, коли буде зібрано більше даних.

В даний час неясно, яке поєднання нової фізики, систематичних ефектів або нових даних дозволить цю напруженість, але щось обов'язково проясниться. Картина всесвіту як розширюється кексу може бути невірною, і перед космологами стоїть складне завдання підібрати іншу картину. Якщо для пояснення нових вимірів потрібна нова фізика, тоді результат змінить наше уявлення про космос.