Как величайшая загадка Вселенной рассорила ученых со всего мира

Космологи столкнулись с серьезной научной проблемой, которая указывает на несовершенство знаний человека о Вселенной. Сложность касается такой тривиальной, казалось бы, вещи, как скорость расширения Вселенной. Дело в том, что разные методы указывают на разное значение, — и странное расхождение пока никто не может объяснить.

В настоящее время стандартная космологическая модель «Лямбда-CDM» (ΛCDM) наиболее точно описывает эволюцию и строение Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная имеет ненулевую положительную космологическую постоянную (лямбда-член), вызывающую ускоренное расширение. Кроме того, ΛCDM объясняет наблюдаемую структуру реликтового излучения (космического микроволнового фона), распределение галактик во Вселенной, обилие водорода и других легких атомов, а также саму скорость расширения вакуума. Однако серьезное расхождение скорости расширения может свидетельствовать о необходимости радикального изменения модели.

Физик-теоретик Вивиан Пулен (Vivian Poulin) из Национального центра научных исследований Франции и Лаборатории Вселенной и элементарных частиц в Монпелье утверждает, что это означает следующее: в молодой Вселенной произошло что-то важное, о чем мы пока не знаем. Возможно, это было явление, связанное с неизвестным типом темной энергии или новой разновидностью субатомных частиц. Если модель будет учитывать его, то несоответствие исчезнет.

Одним из способов определения скорости расширения Вселенной является изучение микроволнового фона — реликтового излучения, которое возникло спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. С помощью ΛCDM можно вывести постоянную Хаббла, измерив крупные флуктуации реликтового излучения. Она оказалась равна 67,4 километра в секунду на каждый мегапарсек, или примерно три миллиона световых лет (с такой скоростью расходятся друг от друга объекты, удаленные на соответствующее расстояние). При этом погрешность составляет всего лишь 0,5 километра в секунду на мегапарсек.

Если мы получим примерно то же самое значение с помощью другого метода, то это подтвердит справедливость стандартной космологической модели. Ученые измеряли видимую яркость стандартных свечей — объектов, светимость которых всегда известна. Такими объектами являются, например, сверхновые типа Ia — белые карлики, которые больше не могут поглощать вещество от крупных звезд-компаньонов и взрываются. По видимой яркости стандартных свечей можно определить расстояние до них. Параллельно можно измерить красное смещение сверхновых, то есть сдвиг длин волн света в красную область спектра. Чем больше красное смещение, тем больше скорость удаления объекта от наблюдателя.

Таким образом становится возможно определить скорость расширения Вселенной, которая в данном случае оказывается равной 74 километра в секунду на каждый мегапарсек. Это не соответствует значениям, полученным из ΛCDM. При этом маловероятно, что погрешность в измерении способна объяснить расхождение.

По словам Дэвида Гросса (David Gross) из Института теоретической физики имени Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, в физике частиц такое расхождение называлось бы не проблемой, а кризисом. Однако ряд ученых не согласился с подобной оценкой. Ситуацию осложнил другой метод, который также основан на изучении ранней Вселенной, а именно барионных акустических осцилляций — колебаний в плотности видимого вещества, заполняющего раннюю Вселенную. Эти колебания вызваны акустическими волнами плазмы, и они всегда имеют известные размеры, что делает их похожими на стандартные свечи. В сочетании с другими измерениями они дают постоянную Хаббла, согласующуюся с ΛCDM.

Есть вероятность, что ученые совершили ошибку при использовании сверхновых типа Ia. Чтобы определить расстояние до отдаленного объекта, необходимо построить лестницу расстояний. Первой ступенью этой лестницы являются цефеиды — переменные звезды с точной зависимостью период-светимость. С помощью цефеид можно определить расстояние до ближайших сверхновых типа Ia. В одном из исследований вместо цефеид использовали красные гиганты, которые на определенном этапе жизни достигают максимальной яркости — у всех красных гигантов она одинакова. В итоге постоянная Хаббла оказалась равной 69,8 километра в секунду на мегапарсек. Кризиса нет, заявляет Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета, одна из авторов этой работы.

Но и это утверждение было поставлено под сомнение. Сотрудники коллаборации H0LiCOW измерили постоянную Хаббла, используя гравитационное линзирование — эффект, который возникает, когда массивное тело искривляет лучи, идущие от далекого объекта позади него. Последние могут быть квазарами — ядрами активных галактик, питаемых сверхмассивной черной дырой. Из-за гравитационных линз могут возникать сразу несколько изображений одного квазара. Измеряя мерцание этих изображений, ученые вывели уточненное значение постоянной Хаббла в 73,3 километра в секунду на мегапарсек. При этом ученые до последнего не знали возможный результат, что исключает возможность подтасовки.

Результат измерения постоянной Хаббла по природным мазерам, образующимся при вращении газа вокруг черной дыры, оказался равен 74 километра в секунду на мегапарсек. Другие методы дали 76,5 и 73,6 километра в секунду на мегапарсек. Проблемы возникают и в измерении распределения вещества во Вселенной, поскольку гравитационное линзирование дает другое значение по сравнению с измерениями микроволнового фона.

Если окажется, что несоответствие не вызвано ошибками в измерениях, то потребуется новая теория, которая объяснит все имеющиеся на настоящий момент данные. Одно из возможных решений заключается в изменении количества темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Хотя большинство ученых выступает за то, что удастся обойтись без обновления физики, проблема пока остается нерешенной.