Почему в космологии «кризис»?

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.

Начиная с 2014 года измерения постоянной Хаббла — современной скорости расширения Вселенной — начали расходиться. Измерения, сделанные в далекой Вселенной, примерно на 10% отличаются от измерений, сделанных в соседней Вселенной. Хотя это звучит не так уж и много (и это не так, учитывая значительные научные достижения, необходимые для проведения этих измерений в первую очередь), погрешности этих измерений составляли всего около 2%.

Разница в 10% при неопределенности 2% является статистически значимой и заслуживает исследования. С 2014 года было выдвинуто более 300 предложений по выходу из этого «кризиса космологии». Ни одно из этих предложений не является общепринятым космологами, и по мере продолжения измерений кризис только усугубляется.

Модель LCDM

На карту поставлено наше современное понимание истории Вселенной, воплощенное в так называемой модели Lambda-CDM, часто сокращенно LCDM. Эта модель делает несколько базовых предположений, как и любая другая модель в науке. Модель предполагает, что общая теория относительности верна в космологических масштабах и что наша Вселенная однородна и изотропна (одинакова во всех направлениях).

Предполагается, что наша Вселенная геометрически плоская и что существует некая сущность, называемая темной материей, которая не часто взаимодействует с нормальной материей (это часть «CDM», от «холодной темной материи»). И это предполагает, что есть другое вещество, называемое темной энергией (это «Лямбда»), которое поддерживает постоянную плотность при расширении Вселенной.

После того, как эти предположения установлены (а они основаны на многочисленных прошлых наблюдениях), LCDM имеет только шесть свободных параметров. Чтобы получить эти числа, вам нужно провести различные космологические измерения, но как только вы это сделаете, модель сможет предсказать все остальное о Вселенной, вплоть до современной скорости расширения. Одно из лучших мест для определения значений шести свободных параметров — это космический микроволновый фон (CMB), который представляет собой свет, оставшийся с того времени, когда Вселенной было всего 380000 лет. CMB полезен, потому что он большой, его легко измерить и просто понять.

Вооружившись измерениями реликтового излучения, подобными тем, которые были получены в ходе миссии спутника Planck Европейского космического агентства, вы можете заполнить неизвестные в модели LCDM и получить действительно хорошее представление практически обо всей истории космоса.

Лестницы к звездам

Итак, здесь возникает напряжение. Измерения ранней Вселенной дают нам массу информации о свободных параметрах модели LCDM. Эти измерения происходят не только от реликтового излучения, но и от так называемых барионных акустических колебаний — тонких сдвигов в положениях галактик, оставшихся после того, как гигантские звуковые волны разбивались вокруг в ранней Вселенной, — и обилия легких элементов.

Независимо от того, какую комбинацию измерений ранней Вселенной вы сделаете для заполнения модели LCDM, вы в конечном итоге предсказываете значение постоянной Хаббла где-то около 68 км / с / Мпк. Ок, отлично. Работа окончена, верно? Не так быстро. Вы также можете попробовать напрямую измерить постоянную Хаббла. Для этого вам нужно измерить расстояния и скорость группы объектов.

Есть много вариантов, включая сверхновые типа Ia, свойства галактик, переменные Миры и определенные виды звезд красных гигантов. За исключением метода красных гигантов, все локальные измерения постоянной Хаббла показывают гораздо большее число — больше, чем 74 км / с / Мпк. Интересно или обидно, но метод красных гигантов дает число прямо посередине двух крайностей — отсюда и кризис.

Нет выхода

У нас есть два совершенно разных подхода к постоянной Хаббла. Оба они хорошо протестированы, изучены и понятны. Модель LCDM чрезвычайно успешна в описании и предсказании множества космологических наблюдений, поэтому никто не спешит отказываться от нее. Измерения реликтового излучения безупречны — это, безусловно, самые точные измерения за всю историю астрономии. С другой стороны, измерения сверхновых также верны. И разные исследования постоянной Хаббла дают сопоставимые ответы.

Ранняя вселенная против поздней вселенной, глобальная или локальная, крупномасштабная и мелкая — как ни крути, эти две точки зрения на вселенную должны совпадать, но это не так. У нас должно быть общее согласованное значение постоянной Хаббла, но у нас его нет. Космологи так заинтересованы в этом «кризисе», потому что это первое интересное событие, произошедшее в космологии с момента открытия темной энергии более 20 лет назад. Когда измерения расходятся, нам шепчет природа.

Здесь есть место и, возможно, возможность узнать больше о космосе. На сегодняшний день было выдвинуто более 300 предложений по выходу из космологического кризиса. Некоторые требуют дополнительной физики в эпоху реликтового излучения. Некоторые призывают темную энергию делать что-то странное в недавнем прошлом. Некоторые изменяют физику на фундаментальном уровне, портя наши наблюдения сверхновых.

Однако ни одно предложение не может объяснить множество космологических свидетельств, и мы далеки от консенсуса по поводу решения. Я лично считаю, что «если это интересно, то, наверное, неправильно». Самое скучное объяснение кризиса состоит в том, что мы что-то неправильно понимаем в отношении измерения постоянной Хаббла в локальных масштабах. Но только время покажет.