Астрофизики поставили под сомнение ключевой космологический принцип

Фото из открытых источников

Группа астрофизиков опубликовала в журнале Nature результаты своих исследований, ставящие под сомнение один из столпов современной космологии. Используя самую подробную на сегодняшний день карту Вселенной, они обнаружили, что распределение галактик сохраняет предпочтительную ориентацию на расстояниях в миллиарды световых лет. Это прямо противоречит так называемому космологическому принципу, согласно которому, если мы посмотрим достаточно далеко, Вселенная должна выглядеть одинаково во всех направлениях.

Исследователи Франческо Силос Лабини и Марко Галоппо проанализировали данные DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), одного из самых амбициозных проектов по картированию космоса. Вместо того чтобы просто подсчитывать количество галактик на каждом расстоянии, они разработали способ измерения их расположения в одной точке.

Представьте, что мы возьмем все пары галактик, разделенных одинаковым расстоянием, например, 500 миллионами световых лет. Если Вселенная изотропна (одинакова во всех направлениях), то пары должны быть направлены под разными углами одинаково, без каких-либо предпочтений.

Однако, проведя это исследование с реальными данными, они обнаружили избыток пар, выровненных в очень специфических направлениях. Эти выравнивания образуют вертикальные гребни на картах, которые, по словам авторов, отслеживают когерентные нитевидные структуры, простирающиеся на сотни мегапарсеков (мегапарсек — это более 3 миллионов световых лет).

Чтобы выяснить, является ли это нормой, ученые сравнили реальные данные с двумя типами теоретических моделей:

• Случайные распределения (распределение Пуассона): Вселенная без структур, где галактики расположены случайным образом.
• Моделирование стандартной модели (ΛCDM): Лучшие компьютеры моделируют то, какой должна быть Вселенная согласно общепринятой теории, включающей темную материю и темную энергию.

Результат оказался катастрофическим. В то время как в стандартных модельных симуляциях направления становились однородными на больших расстояниях (как и ожидалось), в реальных данных анизотропия (предпочтительные направления) оставалась сильной на всех анализируемых масштабах.

Фактически, авторы дословно заявляют: сохранение анизотропных структур в масштабах гигапарсеков указывает на согласованные направленные особенности в самых больших исследованных масштабах, что ставит под сомнение предположение о том, что распределение галактик становится статистически изотропным в достаточно больших масштабах.

Физики измеряют устойчивость результата с помощью «сигма» (σ). Чем выше значение сигма, тем меньше вероятность того, что полученный результат является случайным совпадением.

В этом исследовании применялся очень консервативный тест (каждый раз исключалась одна симуляция для сравнения с остальными). Во всех выборках ярких галактик ни одна из 330 симуляций стандартной модели не смогла воспроизвести наблюдаемый сигнал. Это дает вероятность ошибки менее 3 на 1000, что соответствует значимости более 3,4σ. В выборке ярких красных галактик (где объектов меньше, а граница уже) значимость была больше 3,3σ.

Если использовать более простые статистические методы, расхождение даже превышает 5σ, порог, который в физике считается открытием (с вероятностью случайности менее 1 к 3,5 миллионам).

Авторы очень тщательно проверили, чтобы убедиться, что сигнал не является ошибкой телескопа или метода наблюдения:

• Они исключили геометрию обзора: они повторили анализ со случайными каталогами, которые имитируют форму неба, наблюдаемую DESI, но без реальных галактик. Они не обнаружили анизотропий.
• Они исключили влияние скоростей галактик: галактики не статичны; их движения изменяют измеряемые нами расстояния (эффект красного смещения). Сравнивая моделирование с учетом и без учета этого эффекта, они пришли к выводу, что он не объясняет сигнал.
• Они исключили случайность: они перемешали угловые положения реальных галактик (сохраняя при этом расстояния). Сигнал анизотропии исчез.

Стандартная модель Вселенной (ΛCDM) предполагает, что, хотя локально мы наблюдаем скопления и филаменты, если мы продвинемся достаточно далеко, все станет однородным и без предпочтительных направлений. Это открытие говорит о том, что это не так.

Авторы объясняют, что угловая дисперсия (мера этого предпочтительного направления) не уменьшается с расстоянием, а стабилизируется на плато. Это означает, что крупномасштабные неоднородности, а не гауссовы флуктуации вокруг четко определенной средней плотности, доминируют в статистических свойствах распределения галактик в самых больших масштабах.

Иными словами, Вселенная в целом может быть больше похожа на губку с общей ориентацией, чем на однородный океан. Это не нарушает коперниканский принцип (который гласит, что мы не находимся в особом месте во Вселенной), но нарушает строгую версию космологического принципа (который гласит, что Вселенная одинакова везде и во всех направлениях).

Сами исследователи признают, что необходимо больше данных. Будущие публикации проекта DESI и нового космического телескопа «Евклид» (Европейского космического агентства) позволят проверить, распространяются ли эти чудовищные выравнивания еще дальше или, наоборот, исчезают с увеличением объема наблюдений.

Между тем, это исследование открывает двери для изучения альтернативных теорий: более сложных решений уравнений Эйнштейна, новых типов поведения темной материи или эффектов обратной связи самих структур с пространством-временем.

Как резюмируют авторы в своих заключительных выводах, эти результаты требуют переоценки того, как однородность и изотропия реализуются в наблюдаемой Вселенной, и мотивируют новые проверки космологических моделей, основанных на направленной статистике. Космологии, по крайней мере на данный момент, предстоит решить новую и огромную загадку.