По новой теории, темная материя и темная энергия — мираж, космическая иллюзия

Более трёх десятилетий научный консенсус о составе Вселенной основывался на одновременно элегантном и загадочном основании: примерно 95% всего сущего состоит из невидимых и неизвестных компонентов. Тёмная материя – вещество, не испускающее свет, но чья гравитация удерживает галактики вместе, – и тёмная энергия – сила отталкивания, ускоряющая расширение космоса, стали столпами стандартной космологической модели.

Однако новое исследование, проведенное в Оттавском университете, грозит разрушить эту теоретическую структуру, предлагая радикально иное объяснение, которое не требует экзотического вещества, а вместо этого приписывает эти явления неотъемлемому и разрушающемуся процессу: постепенному ослаблению фундаментальных сил природы по мере старения Вселенной.

Исследование, проведённое под руководством Раджендры Гупты, постулирует, что то, что астрономы интерпретировали как влияние тёмной материи и тёмной энергии, на самом деле может быть коллективным эффектом сил природы, постепенно ослабевающих по мере расширения космоса. Гравитация и, предположительно, другие фундаментальные взаимодействия не являются неизменными константами, как часто предполагается, а представляют собой переменные величины, зависящие от течения времени и области пространства.

«Силы Вселенной в среднем ослабевают по мере её расширения», — объясняет профессор Гупта. «Это ослабление создаёт иллюзию таинственного толчка, заставляющего Вселенную расширяться быстрее, — толчка, который был идентифицирован как тёмная энергия. Однако в масштабах галактик и скоплений галактик изменение этих сил в гравитационно связанном пространстве приводит к дополнительной гравитации, приписываемой тёмной материи. Но всё это может быть всего лишь иллюзией, эмерджентным явлением, возникающим в результате эволюции констант, определяющих силу взаимодействий».

Сила предложения Гупты заключается в его способности объединить в рамках единой математической модели два набора наблюдений, которые Стандартная модель вынуждена объяснять, используя отдельные подходы. С одной стороны, существует поведение Вселенной в больших масштабах — на расстояниях, превышающих шестьсот миллионов световых лет, — где космос предполагается однородным и изотропным. С другой стороны, существует физика астрофизических масштабов, в области отдельных галактик и их окрестностей, где распределение материи неравномерно и неоднородно.

«В стандартной модели эти два сценария требуют разных уравнений для объяснения наблюдений с использованием тёмной материи и тёмной энергии. Наш — единственный, который объясняет их одним и тем же уравнением, без необходимости участия тёмной материи или тёмной энергии», — подчёркивает Гупта. «Поистине захватывающе то, что этот новый подход позволяет нам объяснить то, что мы видим на небе — вращение галактик, их скопление и даже то, как свет преломляется вокруг массивных объектов, — без необходимости воображать, что где-то там что-то спрятано. Всё это — просто результат изменения констант природы по мере старения и сгущения Вселенной».

В прошлом году профессор Гупта уже поставил под сомнение существование тёмной материи в исследовании, посвящённом космологическим масштабам. В этой последней работе, астрофизического характера, он сосредоточился на современных теоретических моделях, объясняющих кривые вращения галактик. Эти кривые, представляющие орбитальную скорость звёзд в зависимости от их расстояния от центра галактики, демонстрируют устойчивую аномалию: звёзды во внешних областях движутся с гораздо более высокими скоростями, чем следовало бы, если бы существовала только гравитация видимой материи, что считается самым веским доказательством наличия гало тёмной материи.

В новой модели Гупты параметр, часто обозначаемый как α, возникает благодаря эволюции констант связи сил. На практике α ведёт себя как дополнительный «компонент» в уравнениях гравитации, создавая эффекты, неотличимые от тех, которые астрономы приписывают тёмной материи и тёмной энергии. Ключ к его поведению кроется в масштабе. На космологическом уровне α рассматривается как константа, значение которой корректируется в соответствии с данными о далёких сверхновых. Но локально, внутри галактики, распределение стандартной материи — чёрных дыр, звёзд, планет, газа — резко меняется, и это изменение приводит к изменению α, порождая дополнительный гравитационный эффект, зависящий от местоположения.

Теория, в частности, предсказывает, что в областях с высокой стандартной плотностью материи эффект дополнительной гравитации меньше, в то время как в областях с низкой обнаруживаемой плотностью материи этот эффект больше. По сути, вместо добавления гало тёмной материи вокруг галактик, дополнительное гравитационное притяжение в новой модели обусловлено влиянием α . Этот механизм точно воспроизводит наблюдаемые плоские кривые вращения, объясняя, почему звёзды на краях галактик не замедляются, как ожидалось.

Значение этой идеи выходит за рамки объяснения локальных явлений и затрагивает некоторые из величайших загадок современной космологии. Годами астрономы пытались понять, как галактики в ранней Вселенной могли формироваться так быстро и достигать таких колоссальных размеров и масс за, казалось бы, недостаточный промежуток времени.

Модель Гупты предлагает элегантное решение этой проблемы, изменяя саму хронологию космоса. «В нашей модели нет необходимости предполагать существование каких-либо экзотических частиц или нарушать законы физики. Хронология Вселенной просто расширяется, почти удваивая её возраст, освобождая место для всего, что мы наблюдаем», — отмечает физик. Действительно, растягивая хронологию образования звёзд и галактик, модель предоставляет гораздо более широкую и свободную временную структуру, делая возможным раннее появление крупных и сложных структур, таких как массивные галактики и сверхмассивные чёрные дыры.

Если эта теория подтвердится, она может полностью изменить направление исследований в фундаментальной физике и космологии. Важно отметить, что она предполагает, что поиск частиц тёмной материи — начинание, в которое научное сообщество вложило десятилетия усилий и миллиарды долларов в такие эксперименты, как Большой адронный коллайдер или криогенные детекторы в подземных шахтах, — может оказаться излишним. Даже в гипотетическом случае экспериментального обнаружения таких экзотических частиц, Стандартная модель потребовала бы, чтобы они составляли примерно в шесть раз больше массы стандартной материи, — пропорция, которую новый подход делает излишней.

«Иногда самое простое объяснение — самое лучшее», — заключает профессор Гупта. «Возможно, величайшие тайны Вселенной — это всего лишь уловки эволюционирующих констант природы». Его работа, объединяющая наблюдения в радикально разных масштабах на основе единого физического принципа, призывает научное сообщество пересмотреть вопрос о том, действительно ли существуют самые загадочные компоненты космоса, или же мы проецируем свои тени на саму ткань пространства-времени, чтобы заполнить пустоту неполного понимания.