Нові дані ставлять під сумнів загальноприйняту модель Всесвіту

Свіжі дані змусили астрономів засумніватися в загальноприйнятих теоріях про будову Всесвіту. Такі результати вчені отримали, з'ясовуючи, як по космосу розподілена речовина. Дослідники виміряли це розподіл маси двома способами і з'ясували, що відповіді суперечать один одному. Але цього не може бути, якщо вірна стандартна космологічна модель, з якої виходили фахівці.

Подробиці викладені в науковій статті, опублікованій в журналі Astronomy & Astrophysics.

Наука про походження та розвиток Всесвіту як цілого називається космологією. Сьогодні в ній панує стандартна космологічна модель, відома також як модель CDM. Вона об'єднує теорію про Великий вибух з уявленнями про темну матерію і темну енергію.

На користь цієї моделі говорить величезна кількість наглядових фактів, від реліктового випромінювання до хімічного складу зірок. Проте спостерігачі не втомлюються вигадувати для стандартної космології все нові тести.

Саме благородне завдання фізика-експериментатора - руйнування теорій", - заявляє перший автор статті Хендрік Хильдебрандт (Hendrik Hildebrandt) з Рурського університету в Бохумі.

Схоже, цього разу вченим вдалося намацати слабке місце теорії (якщо, звичайно, в спостереженнях немає помилки). І теоретикам доведеться змінити стандартну космологію так, щоб вона пояснювала нові дані.

Два способи - два результати

Свої дивні результати астрофізики отримали, вивчаючи розподіл речовини у Всесвіті. Це можна зробити як мінімум двома способами. Обидва спираються на різні аспекти CDM-моделі.

Перший метод заснований на спостереженні реліктового випромінювання, випущеного, коли Всесвіту було всього 380 тисяч років від народження. Ця робота була виконана командою проекту Planck.

Другий підхід використовує гравітаційне лінзування. Справа в тому, що гравітація масивних об'єктів відхиляє промені світла, працюючи як лінза. Вимірюючи спотворення, які зазнало світло далеких галактик, можна відновити розподіл маси між ними і спостерігачем.

Зрозуміло, що розподіл маси у Всесвіті не залежить від того, як ми його вимірюємо. І якщо в наших теоріях немає помилок, то результати, отримані різними методами, повинні збігатися. Але не тут-то було.

У попередніх дослідженнях, незалежно виконаних різними групами, виходили розбіжності між "реліктовим" і "лінзіруючим" розподілом маси. На цей раз вчені включили в аналіз нові дані, сподіваючись таким чином усунути цю суперечність. Але замість цього виявили, що воно стало ще більше. Тепер є лише один шанс зі ста, що всі розрахунки вірні, а відмінність викликано неминучими похибками вимірювань.

інфрачервоний зір

Для того щоб скористатися ефектом гравітаційного лінзування, потрібно знати відстань до різних джерел світла. В даному випадку в якості таких далеких свічок, або маяків, виступали мільйони далеких галактик.

Як дізнатися дистанцію до них? Тут ученим і потрібно CDM-модель, точніше, її частину: закон Хаббла. Він пов'язує червоний зсув з відстанню до джерела світла.

Червоне зміщення галактики можна дізнатися, вимірявши її яскравість в різних кольорах, наприклад, синьому, зеленому і червоному. Результат вийде ще точніше, якщо додати інфрачервоні (ІЧ) дані.

Саме це і зробили співробітники проекту "Тисячеградусний огляд" (Kilo-Degree Survey, або KiDS). Астрономи виміряли яскравість галактик в різних діапазонах, включаючи інфрачервоний, в області неба площею 450 квадратних градусів. Хоча це всього 1% від всієї небесної сфери, для настільки точних вимірювань це солідне охоплення.

Наш набір даних - єдиний, заснований на ефекті гравітаційного лінзування і відкалібрований з використанням додаткових інфрачервоних даних", - підкреслює Хильдебрандт.

І цей огляд, в якому завдяки інфрачервоним даними відстані до галактик виміряні найточніше, показує найбільше розбіжність з даними, добутими при аналізі реліктового випромінювання.

Вчені сподівалися, що додавання ІК-даних зменшить протиріччя, а все вийшло з точністю до навпаки. Щоб ще раз перевірити це, автори доповнили інфрачервоними зображеннями огляд Dark Energy Survey, який був виконаний іншою командою в оптичному діапазоні. І знову уточнення відстаней до галактик за допомогою інфрачервоного даних збільшило розбіжність з даними "Планка".

Цьому може бути кілька пояснень, - зазначає Хильдебрандт. - Або ми або один з інших дослідницьких консорціумів допустили систематичну помилку в оцінці даних, або зі Стандартною космологічної моделлю щось не так".

Перекроїти Всесвіт

Зараз команда працює над тим, щоб включити у вибірку ще більшу кількість галактик. Це підвищить точність вимірювань і/або послабить протиріччя з даними "Планка", або посилить його ще більше.

Не чекаючи цього моменту, автори задалися питанням, що потрібно змінити в CDM-моделі, щоб розбіжності між двома методами зникли. І знайшли відповідь.

Вони припустили, що властивості темної енергії, що надає прискорення розширення Всесвіту, змінюються з часом. Реліктове випромінювання було видано понад 13 мільярдів років тому, всього через 380 тисяч років після Великого вибуху. А ось спостереження гравітаційного лінзування оповідають про набагато більш пізні епохи. Звичайно, світло далеких галактик теж було видане не вчора: йому було потрібно немало часу, щоб дістатися до Землі. Але все ж цей проміжок часу значно менше 13 мільярдів років.

Якщо припустити, що темна енергія за цей час змінилася відповідним чином, все стає на свої місця: обидва результату узгоджуються з одним і тим же розподілом маси.

Цікаво, що значення постійної Хаббла, що визначає швидкість розширення Всесвіту, теж залежить від того, чи вимірювати  її за даними про реліктового випромінювання  або іншим способом. І це протиріччя теж можна усунути, допустивши, що темна енергія змінюється. Втім, всіх проблем з постійною Хаббла це не вирішить: застосувавши третій спосіб її виміру, астрономи отримали результат, що відрізняється від перших двох.

Таким чином, накопичується все більше свідчень того, що ми не знаємо про світ, в якому живемо, чогось важливого. Звичайно, якісь з нинішніх висновків напевно виявляться результатом помилки дослідників, але інші цілком можуть ініціювати революцію в науці.