space

Неужели космология переживает «кризис»?

Категория: Инфографика

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий программ «Спроси космонавта» и «Космическое радио» и автор книги «Как умереть в космосе».

Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights. Возможно, вы слышали о «кризисе космологии»: разные методы измерения возраста Вселенной дают разные результаты, и космологи не знают, почему.

Как астрофизик — и к тому же космолог — у меня есть собственный взгляд на этот так называемый кризис. Но сначала давайте разберемся, в чем проблема.

Космический микроволновый фон

Чтобы измерить возраст Вселенной, вы должны знать историю ее расширения. А чтобы получить историю расширения, вам нужно провести математическое моделирование. Математическое моделирование довольно распространено в науке (по сути, это наука), и в случае всей Вселенной математической моделью является общая теория относительности Эйнштейна.

Когда вы применяете общую теорию относительности ко всей вселенной, вы получаете уравнения Фридмана, набор уравнений, которые связывают содержимое Вселенной в любой момент времени — скажем, относительные количества темной материи, темной энергии, излучения и всего остального — скорость расширения в то время.

Итак, измерьте материал, получите возраст. Лучший способ измерить количество вещества во Вселенной — это космический микроволновый фон (CMB), свет, оставшийся с того времени, когда Вселенной было всего 380000 лет. Благодаря таким усилиям, как миссия Planck Европейского космического агентства, у нас есть изысканные карты реликтового излучения, и эти карты дают нам чрезвычайно подробную разбивку содержимого Вселенной.

Единственное, чего нам не дают карты реликтового излучения, — это количество темной энергии. Темная энергия на самом деле не была чем-то особенным, когда генерировалось реликтовое излучение, поэтому в нашем моделировании мы должны использовать другие наблюдения и вручную добавлять количество темной энергии.

Но как только вы это сделаете, вы можете подключить все к уравнениям Фридмана и получить скорость расширения в любой момент времени (включая сегодняшний день), а оттуда определить возраст Вселенной.

Сверхновые

Хотя это чрезвычайно надежный отчет о содержимом Вселенной, реликтовое излучение не совсем немедленное; он был создан миллиарды лет назад. Другой способ измерения скорости расширения Вселенной — это измерить скорость расширения Вселенной.

Один из способов — через сверхновые звезды типа Ia, своего рода звездный взрыв, при котором одна звезда изливает свою атмосферу на соседний белый карлик, плотный остаток мертвой звезды. Когда достигается критический порог, белый карлик взрывается, и мы получаем сверхновую.

Поскольку во Вселенной почти такой же сценарий, мы можем использовать сверхновые звезды в качестве стандартных свечей. Другими словами, мы знаем, насколько яркими они должны быть, и можем сравнить это с тем, насколько яркими они кажутся. Затем мы можем использовать эту информацию для оценки скорости расширения Вселенной во время сверхновой.

Астрономы использовали этот метод в конце 1990-х годов для обнаружения темной энергии, и с тех пор он стал краеугольным камнем космологических измерений. Это удобный метод, потому что он позволяет нам измерить скорость расширения в соседней Вселенной (так называемая постоянная Хаббла, хотя на самом деле она не постоянна — но это уже другая история).

Тем не менее, он довольно ограничен; нам не так много доступных сверхновых, и мы можем использовать их, чтобы заглянуть в более далекую Вселенную.

Битва

За два десятилетия, прошедшие с тех пор, как астрономы открыли темную энергию, мы наткнулись на небольшую загвоздку: измерения скорости расширения Вселенной (и, следовательно, ее возраста) от реликтового излучения и сверхновых стали еще более точными, но они начинают не соглашаться.

Мы мало разговариваем; два метода разделяют всего 10 или 20 миллионов лет при оценке 13,77-миллиардной истории Вселенной. Но мы работаем с такой точностью, что об этом стоит говорить. Один из способов решить эту проблему — сказать, что наши измерения реликтового излучения ошибочны.

Но измерения CMB Planck являются одними из самых точных измерений, когда-либо сделанных в науке, а многочисленные тесты и проверки, проведенные за годы, прошедшие с момента публикации первоначальных данных в 2013 году, только укрепили расчеты. Но поскольку нам нужно вручную добавить темную энергию к данным реликтового излучения, возможно, мы что-то упускаем из этой силы.

В любом случае это гигантская загадка, так что это не безумие. Может быть, темная энергия меняется со временем, или связана с темной материей, или чем-то еще. Этот вариант, в частности, держит теоретиков занятыми, поскольку они пишут бумагу за статьей, исследуя заманчивую возможность.

И, наконец, возможно, измерения сверхновых немного не точны. Конечно, это более прямой путь к сегодняшним темпам расширения, но они не надежны. Взрыв звезд — это довольно сложно, и если мы не совсем понимаем беспорядок физики, мы не сможем использовать сверхновые в качестве точного космологического зонда.

Все, что потребуется, — это немного неуверенности в моделировании сверхновых, чтобы весь кризис ушел. Лично я считаю, что мы не так хорошо понимаем сверхновые звезды, как думаем, — и я говорю это не только потому, что я был участником миссии Planck и помогал в анализе реликтового излучения.

«Кризис» — хороший повод продолжать писать статьи, потому что мы были в тупике темной энергией более двух десятилетий, с большим количеством работы и без особого понимания. В некотором смысле многие космологи хотят, чтобы кризис продолжался, потому что, пока он существует, им есть о чем поговорить, кроме отсчета лет до следующей большой миссии.

Если интересно, наверное, неправильно. Самый скучный способ разрешить кризис — это признать, что сверхновые звезды не являются столь мощным средством измерения темпов расширения, как мы надеемся.

Но это не привело бы к появлению такого количества статей, как кризис, и наши космологические конференции были бы гораздо менее интересными. Так что, по крайней мере, пока, кризис будет продолжаться.

Поделиться с друзьями: