Вселенная обладает струнной структурой, что может разрушить теорию космоса

Фото из открытых источников

Вселенная может быть нитевидной на масштабах, намного превышающих те, которые долгое время предполагали космологи. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, два ученых утверждают, что галактики выстраиваются в огромные нити даже на тех масштабах, где космос должен казаться гладким и однородным. Если это утверждение верно, оно перевернет космологический принцип, концептуальный краеугольный камень стандартной космологической модели.

«Это серьезно», — говорит Субир Саркар, космолог из Оксфордского университета, не принимавший участия в исследовании. «Если между тем, что вы ожидаете, и тем, что вы обнаруживаете, действительно существует противоречие, это будет прогрессом, не так ли?» Отказ от космологического принципа может даже устранить необходимость в темной энергии — таинственном веществе, растягивающем пространство и, как считается, ускоряющем расширение Вселенной, — утверждают некоторые космологи. Но другие скептически относятся к этому новому утверждению.

Космологический принцип гласит, что Вселенная однородна (одинакова везде) и изотропна (одинакова во всех направлениях). Беглый взгляд на ночное небо показывает, что это не может быть правдой на всех уровнях, поскольку пустота в космосе усеяна плотными скоплениями звезд. Тем не менее, космологи предполагают, что Вселенная по существу однородна и лишена каких-либо особенностей при усреднении по достаточно большим масштабам длины, подобно тому, как пикселизированная фотография выглядит гладкой при просмотре с расстояния.

Эта предпосылка лежит в основе стандартной космологической модели, известной как лямбда-холодная темная материя (лямбда-ХТМ). Теория определяет рецепт для космоса — 5% обычной материи, 27% невидимой темной материи и 68% темной энергии. Она прослеживает эволюцию обширной сети галактик до крошечных флуктуаций плотности в горячей смеси субатомных частиц, возникших в результате Большого взрыва. За долю секунды экспоненциальный рост, называемый инфляцией, растянул эти флуктуации до космических масштабов и сгладил и выровнял пространство-время. По мере замедления расширения гравитация усиливала флуктуации, притягивая темную материю в сгустки, которые позже притягивали обычную материю, порождая звезды и галактики.

Всё это должно согласовываться с теорией гравитации Альберта Эйнштейна, общей теорией относительности. Именно здесь вступает в игру космологический принцип, говорит Гленн Старкман, физик-теоретик из Университета Кейс Вестерн Резерв. Согласно общей теории относительности, космическая эволюция должна описываться 10 взаимосвязанными уравнениями. Предположение об однородности Вселенной сводит эту путаницу к двум. Это также гарантирует, что физика работает одинаково во всей Вселенной, говорит Старкман. Таким образом, включение космологического принципа делает лямбда-CDM математически разрешимой. Однако это также предполагает, что лежащее в основе пространство-время остаётся гладким и плоским, и что на некотором масштабе длины Вселенная выглядит однородной.

По словам Саркара, ученые спорят о том, где именно происходит этот переход к однородности, начиная с 1980-х годов. Предыдущие исследования распределения галактик показали, что Вселенная становится однородной на масштабах около 100 мегапарсеков — примерно 300 миллионов световых лет.

Однако, как утверждают Франческо Силос Лабини из Исследовательского центра имени Энрико Ферми и Марко Галоппо из Кентерберийского университета, свойство Вселенной сохраняться до масштабов 1 гигапарсека — 3 миллиардов световых лет. К этому выводу они пришли, применив новый статистический инструмент к самой большой на сегодняшний день карте галактик. Эта карта космоса была создана с помощью спектроскопического инструмента для исследования темной энергии (DESI), который определил трехмерное положение 47 миллионов галактик с помощью 4-метрового телескопа в Аризоне.

В предыдущих исследованиях обычно задавался вопрос: какова вероятность того, что в любой точке галактики на определенном расстоянии будет обнаружена другая галактика, независимо от направления? «Как правило, люди измеряют функцию вероятности в зависимости от расстояния, — говорит Силос Лабини. — Здесь же мы измеряем, как она изменяется в зависимости от расстояния и угла».

Для этого исследователи разрезали карту DESI на двумерные фрагменты, изучили пары галактик, разделенных заданным расстоянием, и искали закономерности в ориентации этих пар. В однородной Вселенной эти направления должны быть случайными и равномерными. Вместо этого исследователи обнаружили значительные корреляции в направлениях, что предполагает, что распределение галактик остается тяговым на гораздо больших расстояниях, чем предсказывают модели лямбда-CDM.

«Я не удивлен», — говорит Томас Бухерт, космолог из Высшей нормальной школы Лиона. Он утверждает, что модель лямбда-CDM логически противоречива, поскольку игнорирует то, как сама сеть темной материи и галактик искажает пространство-время. В принципе, говорит он, эта обратная связь могла бы объяснить ускоренное растяжение пространства без привлечения какой-либо темной энергии.

Однако Дэвид Спергель, космолог из Института Флэтайрон, скептически относится к новому утверждению. По его словам, если структуры простираются на миллиарды световых лет, их гравитация должна существенно исказить остаточное послесвечение Большого взрыва, космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ). «Результат, по всей видимости, сильно противоречит гораздо более точным измерениям микроволнового фона». Саркар возражает, что если Спергель и другие могут использовать наблюдения КМФИ для опровержения нового результата, «то им следует это сделать».

В конечном итоге дискуссия может свестись к вопросу о том, является ли космологический принцип фундаментальной характеристикой Вселенной или всего лишь хорошим приближением. Учитывая успех модели лямбда-CDM в объяснении множества наблюдений, этот принцип не может быть слишком сильно ошибочным, говорит Старкман. Однако, по его мнению, множество аномалий указывает на то, что он не совсем верен. «Космологический принцип не может быть ужасно нарушен», — говорит Старкман. «Но это не значит, что он верен».