Почему физика не может корректно описать расширение Вселенной?

С самого своего рождения Вселенная расширяется. Человечеству потребовалось какое-то время, чтобы осознать расширение Вселенной, но за последнее столетие астрономы, по большому счёту, поняли, как быстро это происходит и как эта скорость изменилась за последние 14 миллиардов лет. Сегодня существует два основных метода её измерения — можно либо просто наблюдать за небесными телами вроде звезд и сверхновых, или экстраполировать законы физики на получаемую информацию о начале жизни Вселенной. Оба эти метода хороши, но их результаты довольно часто не совпадают. И если верить новым данным, которые вскоре будут опубликованы в издании «The Astrophysical Journal», это может не быть свидетельством ошибочности одного из них. Разные значения имеют право на существование. Чтобы понять причину различий в полной мере, нам придется пересмотреть свой взгляд на физику. 

Цефеиды и «Араукария»

Сегодня мы представляем себе расширение Вселенной как увеличение количества пустоты между галактиками и другими крупными объектами. Один из самых проверенных и точных методов измерения этого движения заключается в вычислении расстояния до цефеид — звёзд, чья яркость меняется в течение точно установленных промежутков времени. Эти интервалы напрямую связаны с яркостью звезды. Поэтому ученые, используя полученные значения, могут точно выяснить, насколько они ярки в точках своего местонахождения. Этот параметр сравнивается с их светимостью здесь, на Земле, после чего вычисляется расстояние до объекта. Следя за цефеидами, а также другими похожими объектами, находящимися на разном удалении от нас, можно выяснить, насколько быстро расширяется Вселенная. 

Существуют и другие способы измерения этого значения, но конкретно в том исследовании, о котором мы рассказываем сегодня, наблюдение осуществлялось за этими переменными звёдами. С помощью космического телескопа «Хаббл» учёные рассмотрели 70 цефеид в Большом Магеллановом Облаке — соседней с нами галактике. Это всего лишь около 162000 световых лет от нас, что сущий пустяк по меркам космоса. Дабы убедиться, что их яркость была измерена максимально точно, исследователи сверили свои данные с результатами из нескольких других источников, в том числе полученными в рамках международного проекта «Араукария». 

В последнем случае расстояние до БМО рассчитывалось иначе — по изменению светимости двойных звезд, движущихся друг вокруг друга. Этот бесконечный танец позволяет выяснить такие параметры светил, как масса и размер. Приложив к ним данные о скорости изменений и типе света звезд, можно в конечном итоге определить расстояние до них. В общем, произведя массу сложных математических вычислений, авторы статьи сообщили, что Вселенная расширяется со скоростью около 74.03 километров в секунду на мегапарсек. 

Другими словами, объект, находящийся на расстоянии 1 миллиона парсеков (около 3.3 миллионов световых лет), удаляется от нас со скоростью около 74 километров в секунду. Если это 2 миллиона парсеков, то 148 километров в секунду, и далее по нарастающей. Удивительно конкретные значения, не правда ли? Прямо как на спидометре автомобиля. Эта оценка не столь уж нова и приблизительно соответствует предыдущим измерениям, однако её огромный плюс в том, что она оставляет гораздо меньше неопределенности. Это математическое доказательство, которое всегда можно перепроверить.

Реликтовое излучение

И это порождает довольно ощутимый конфликт, так как данное значение противоречит некоторым другим оценкам скорости расширения Вселенной. Её вычисляют также с помощью изучения реликтового излучения — это самое древнее из того, что способно когда-либо увидеть человечество. Это своеобразный отпечаток событий, происходивших всего через 380000 лет после рождения Вселенной, и за ним, в частности, наблюдает космическая обсерватория «Планк», запущенная Европейским космическим агентством. Изучив колебания температуры внутри этой световой «картинки», ученые определили, с какой скоростью расширялась Вселенная 13 миллиардов лет назад. Затем они экстраполировали эту информацию, чтобы вычислить сегодняшнее значение этого параметра. Все эти расчёты основаны на многократно проверенных законах физики, поэтому теоретически следовало ожидать полного совпадения результатов с тем, что указано чуть выше. Но они не совпадают!

По тем наблюдениям, что сделаны с помощью «Планка», нынешняя скорость расширения Вселенной должна быть заметно ниже — всего 67.4 километра в секунду на мегапарсек. Это несоответствие обнаружено давно, но до последнего времени оставался шанс, что это некая случайность. По подсчётам на прошлый год его вероятность была 1 к 3000, однако теперь, после опубликования этой работы, она понизится до 1 к 100000. Другими словами, физика должна изменить что-то внутри себя, чтобы объяснить, куда деваются 10% скорости. 

Тёмная энергия и темная материя

Согласно одной из недавних гипотез, это расхождение может быть связано с темной энергией. Ученые до сих пор не знают, что это на самом деле такое, но, тем не менее, считают, что она проявила себя как минимум дважды. В первый раз после Большого Взрыва, и это длилось недолго, а во второй раз несколько миллиардов лет назад. Так что, возможно, им удастся найти ответ, вставив третье событие этого ряда — где-то между первыми двумя.

Ещё одна гипотеза предполагает, что тёмная материя взаимодействует с обычной материей и светом не так, как мы считаем сегодня. По сути, это вещество, которое ни с чем не вступает в прямой контакт, а потому невидимо. Мы знаем о её существовании только благодаря тому гравитационному эффекту, который она оказывает на обычную материю и свет. И, возможно, существует неверная оценка силы это воздействия на обычное вещество. Если бы оно было чуть больше, чем считается сейчас, то темная материя могла бы замедлять расширение Вселенной на ранних этапах её существования.

Нет никакой гарантии, что хотя бы одна из этих гипотез окажется верной. Возможно, всё дело в какой-то таинственной частице, ещё неизвестной науке. Или в чём-то другом, что откроется нам позже. В конечном итоге, это крайне показательный пример того, как один полученный ответ приводит к появлению огромного количества вопросов. К счастью, простор для дальнейших исследований этого вопроса огромен. В частности, довольно перспективно в этом плане выглядят гравитационные волны. Они не связаны напрямую со светом, поэтому их изучение позволило бы обзавестись параллельным набором данных для измерения скорости расширения Вселенной. Сегодня, однако, эта область астрономии очень молода, и пока не очень понятно, способна ли она на что-то подобное.

Все эти грандиозные космологические вопросы, естественно, вряд ли хоть как-то влияют на нашу повседневную жизнь. Незнание скорости расширения Вселенной не помешает исправно выполнить свою работу писателю, водителю, пекарю или промышленному роботу. Но эта область науки — ключ к пониманию фундаментальных правил, которым подчиняется всё во Вселенной, от цефеид в далёком космосе до гравитации, которая удерживает нас на Земле. А любопытство и стремление получить ответы на такие вопросы как расширение Вселенной и всё что связано с ним — это, наверное, именно то, что делает нас людьми.