Вселенная похожа на швейцарский сыр

Недавние наблюдения космической обсерватории «Планк» внесли смятение в научное сообщество. Как и следовало ожидать, появилось первое исследование, которое претендует на то, чтобы покончить с этим. Но что, собственно говоря, произошло?..

Во-первых, реликтовое излучение в разных полусферах неба оказалось своим, а это вроде бы противоречит космологическому принципу — древнему предположению о том, что каждый наблюдатель в один и тот же момент независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной в среднем одну и ту же картину. Кажется даже, что налицо некоторое нарушение основного положения современной космологии (для нас, земных наблюдателей). Ранние теории о том, что если мы перейдём к очень большим масштабам, превышающим примерно несколько сотен миллионов световых лет, то все неоднородности должны исчезнуть, не сработали.


Во-вторых, плотность материи, выводимая из наблюдений «Планка» и других источников, тоже не совпадала.

В-третьих, данные «Планка» по скорости удаления галактик (постоянная Хаббла) друг от друга дали 67,3 ± 1,2 (км/с)/Мпк. А это здорово отличается от 73,8 ± 2,4 км/c/Мпк, которые астрономы намерили при помощи наблюдений за взрывами далёких сверхновых. Заметим, что среди прочего из этой цифры вытекает, например, возраст Вселенной; это делает точное понимания значения постоянной Хаббла исключительно важным для всей космологии. Само собой, оба показателя не могут быть одновременно верны. Кто-то, должно быть, ошибся.

На днях мы изложили две гипотезы, пытающиеся разрешить первую и третью проблемы. А теперь французские исследователи во главе с Пьером Флери (Pierre Fleury) из Парижского института астрофизики при Университете Пьера и Марии Кюри предложили теорию, которая пытается объяснить первую, вторую и третью сложности, возникшие «по вине» «Планка».

Как отмечают французские физики, сегодня, когда мы интерпретируем взрывы сверхновых и данные «Планка», их, условно говоря, «наносят на одну карту», описывающую нашу Вселенную. Такой «картой местности» для нас служит метрика Фридмана — Леметра. Если изложить её содержание в двух словах, то предполагается, что Вселенная гомогенна и изотропна. То есть строго соответствует космологическому принципу и однородна во всех направлениях.

Авторы считают, что нанесение обоих типов результатов на одну «карту» не имеет никакого смысла, если метрика Фридмана — Леметра слишком упрощённо представляет нам Вселенную. Что если она и впрямь не такова и, по сути, является неоднородной? Для проверки этого положения учёные использовали модель Эйнштейна — Штрауса образца 1945 года, известную как «модель швейцарского сыра» и полагающую, что Вселенная состоит из «дырок» и «сыра». В центре каждой сферической «дырки» (пустоты) находится по сгустку материи вроде галактик или их скоплений и сверхскоплений, а вокруг пустот располагается однородный «сыр» без пустот, то есть метрика Фридмана — Леметра есть, так сказать, обычное плоское пространство-время.

Как подчёркивают французы, лучи от сверхновых имеют очень малые угловые размеры по сравнению с реликтовым излучением, идущим со всего окружающего нас неба.

Вас, конечно, интересует, как в такой Вселенной соотносится объём пустот и самого «сыра»?..

...Однако, как показывают авторы, если мы на секунду предположим, что Вселенная неоднородна по вышеописанному типу, то сгустки материи в пустоте будут деформировать наше восприятие мироздания. Ведь эти сгустки вызывают неизбежное искажение световых волн — гравитационное линзирование, давно подмеченное астрономами на примере малых объектов типа звёзд или чёрных дыр, но не ожидавшееся ими в масштабе всей Вселенной в силу упомянутого космологического принципа (предположения об однородности). Узкие лучи света от сверхновых в основном идут через пустоты, бедные материей, а потому дефокусируются, ослабляются, то есть сверхновые выглядят бледнее, чем были их взрывы. В то же время реликтовое излучение проходит как через такие «пустоты», так и через регионы, насыщенные материей, то есть иногда испытывает гравитационное усиление.

В результате корректировки по своей модели учёные получили такую ситуацию, когда плотность материи во Вселенной «по Планку» смогла совпасть с выводимой астрономами из закона Хаббла. Но даже после такого «тюнинга» постоянная Хаббла всё равно «бастует»: сверхновые по-прежнему расходятся с «Планком» в оценке скорости разбегания галактик, что означает также разный возраст Вселенной «по Планку» и другим астрономическим данным.

Почему же хаббловская постоянная по «Планку» не совпадает с традиционной даже после корректировки наших представлений о геометрии Вселенной? Вопрос пока остаётся открытым, замечают на это исследователи. Дело может быть как в каких-то неточностях в измерениях по сверхновым (что маловероятно в силу множества таких измерений), так и в том, что наше местное окружение — пространство в районе нашей Галактики и её окрестностей — слишком бедно материей по сравнению с остальной Вселенной, что усложняет попытки определения постоянной Хаббла на «местном» материале.

В этом аспекте французы практически повторили предположение группы немецких учёных, опубликованное чуть раньше, но появившееся независимо.

Сама идея использования моделей, по-своему интерпретирующих наблюдения явлений на разных расстояниях, может иметь далекоидущие последствия для всей космологии и нашего представления о Вселенной.

Наконец, некоторым уже видится конец доминирования общепризнанной метрики Фридмана — Леметра, на которой базируется восприятие окружающего нас мира.

«Наш анализ, хотя и основанный лишь на определённом классе моделей, показывает, что метрика Фридмана — Леметра, с учётом нынешних высокоточных средств, возможно, слишком упрощённо подаёт Вселенную для некоторых типов наблюдений, — полагают физики. — В конце концов, единственной метрики может быть недостаточно, чтобы описать все космологические наблюдения, — не могли же одной картой в своих путешествиях пользоваться и лилипуты, и гиганты из Бробдингнега. Более совершенная космологическая модель может требовать «атласа карт», с разными сглаживающими масштабами, определяемыми тем, какими наблюдениями вы занимаетесь».

Чтобы решить основной вопрос предлагаемой схемы устройства мироздания — распределение в нём пустот и их соотношение с «сыром» метрики Фридмана — Леметра, — предлагается использовать астрономические наблюдения с выявлением линзирования, которое вызывает материя в центрах космических пустот (войдов). Ну а ключевой вывод уже сделан: «Возможно, впервые стандартная метрика Фридмана — Леметра обозначила пределы своей способности к интерпретации космологических данных...»


Тут стоит напомнить, что гипотезы типа «швейцарского сыра» уже выдвигались для объяснения феномена ускоряющегося расширения Вселенной, который, предположительно, обусловлен действием тёмной энергии. Тогда предполагалось, что если мы находимся в центре огромной пустоты «швейцарского сыра», то она содержит меньше вещества, чтобы задержать расширение, поэтому её расширение замедляется не так быстро, как в окружающих областях мироздания. Тогда взрывы сверхновых, происходящие в разных регионах (некоторые в центре пустот, другие на периферии), будут посылать свой свет к наблюдателю через разные области. Каждая из областей слегка увеличивает длину волны (красное смещение), что и видит земной астроном. Вот только свет, проходящий этот заданный путь, обладает меньшим красным смещением, чем если бы вся Вселенная была однородной. В таком случае свет сверхновой будет дезориентировать наблюдателя, заставляя его думать, что расширение Вселенной ускоряется, тогда как на самом деле это может быть совсем не так.

До сих пор такие теории казались неправдоподобными, потому что не было точных данных о неоднородности мироздания. Теперь же выясняется, что хотя в целом космологический принцип Коперника способен соблюдаться в среднем для всей Вселенной, но в конкретных её регионах («пустотах» и «сыре») плотность материи может драматически различаться даже на большом масштабе. В общем, «после «Планка» такое объяснение, не нуждающееся в тёмной энергии, вполне может воскреснуть из мертвых.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Phys.Org.