Но­во­сти науки: Мо­дель Timescape про­тив Мо­де­ли ΛCDM

В но­яб­ре 2024 года меж­ду­на­род­ная груп­па уче­ных опуб­ли­ко­ва­ла ис­сле­до­ва­ние, ко­то­рое может пол­но­стью из­ме­нить наше по­ни­ма­ние Все­лен­ной.

Ока­зы­ва­ет­ся, об­ще­при­ня­тая тео­рия рас­ши­ре­ния кос­мо­са может быть прин­ци­пи­аль­но невер­ной.

И речь идет не про­сто об уточ­не­нии де­та­лей – под во­прос по­став­ле­ны самые фун­да­мен­таль­ные пред­став­ле­ния о кос­мо­ло­гии.

По­че­му мы ду­ма­ли, что Все­лен­ная рас­ши­ря­ет­ся?

Да­вай­те для на­ча­ла вспом­ним, как во­об­ще по­яви­лась идея рас­ши­ря­ю­щей­ся Все­лен­ной. Всё на­ча­лось почти сто лет назад, когда аме­ри­кан­ский аст­ро­ном Эдвин Хаббл за­ме­тил ин­те­рес­ную за­ко­но­мер­ность: чем даль­ше от нас на­хо­дит­ся га­лак­ти­ка, тем быст­рее она как будто "убе­га­ет" от нас. Это от­кры­тие стало одним из кра­е­уголь­ных кам­ней со­вре­мен­ной кос­мо­ло­гии.

Пред­ставь­те себе воз­душ­ный шарик, на ко­то­рый мар­ке­ром на­нес­ли точки. Когда вы на­ду­ва­е­те шарик, все точки на­чи­на­ют "раз­бе­гать­ся" друг от друга. Имен­но такой мо­де­лью кос­мо­ло­ги опи­сы­ва­ли рас­ши­ре­ние Все­лен­ной по­след­ние де­ся­ти­ле­тия. Ка­за­лось бы, всё ло­гич­но и кра­си­во. Но в науке часто бы­ва­ет так: чем даль­ше мы про­дви­га­ем­ся в ис­сле­до­ва­ни­ях, тем боль­ше по­яв­ля­ет­ся неудоб­ных во­про­сов.

Что не так с тео­ри­ей рас­ши­ре­ния?

Про­бле­мы на­ча­ли на­кап­ли­вать­ся давно. Чтобы объ­яс­нить на­блю­да­е­мое по­ве­де­ние га­лак­тик, уче­ным при­шлось вве­сти по­ня­тия тём­ной ма­те­рии и тём­ной энер­гии. Эти за­га­доч­ные суб­стан­ции долж­ны со­став­лять 95% со­дер­жи­мо­го Все­лен­ной! И вот пред­ставь­те себе си­ту­а­цию: вы пы­та­е­тесь объ­яс­нить, как ра­бо­та­ет ав­то­мо­биль, и го­во­ри­те, что 95% его дви­жу­щей силы обес­пе­чи­ва­ет какая-​то неви­ди­мая и неиз­ме­ри­мая энер­гия. Зву­чит не очень убе­ди­тель­но, прав­да?

Но на­сто­я­щий пе­ре­во­рот про­изо­шел сей­час, когда груп­па ис­сле­до­ва­те­лей из Уни­вер­си­те­та Кен­тер­бе­ри в Новой Зе­лан­дии опуб­ли­ко­ва­ла ре­зуль­та­ты мас­штаб­но­го ана­ли­за дан­ных более 1600 сверх­но­вых звёзд. Имен­но эти кос­ми­че­ские взры­вы тра­ди­ци­он­но ис­поль­зо­ва­лись как глав­ное до­ка­за­тель­ство рас­ши­ре­ния Все­лен­ной.

Что пред­ла­га­ет новая тео­рия?

Ос­но­вы тео­ре­ти­че­ско­го обос­но­ва­ния неод­но­род­но­сти Все­лен­ной были пред­ло­же­ны в 2007 году рядом учё­ных, вклю­чая Дэ­ви­да Уи­лт­ши­ра (David Wiltshire). До­ба­вим, Уи­лт­шир за­яв­лен как со­ав­тор новой ра­бо­ты, до­ка­зы­ва­ю­щей его право­ту, по­это­му неза­ви­си­мый ана­лиз пред­став­лен­ных дан­ных дол­жен быть про­ве­дён обя­за­тель­но.

По его пред­став­ле­нию, по мере раз­ви­тия Все­лен­ной ма­те­рия сгруп­пи­ро­ва­лась в су­пер­скоп­ле­ния, ко­то­рых до­ста­точ­но, чтобы скоп­ле­ния и пу­сто­ты могли ока­зы­вать су­ще­ствен­ные ло­каль­ные вли­я­ния на пространство-​время.

В рам­ках со­вре­мен­ной кос­мо­ло­ги­че­ской мо­де­ли Все­лен­ной (ΛCDM, Лямбда-​CDM или кос­мо­ло­ги­че­ская по­сто­ян­ная плюс хо­лод­ная и тём­ная ма­те­рия) свет рав­но­мер­но и рав­но­эф­фек­тив­но рас­про­стра­ня­ет­ся по всей Все­лен­ной на всём её про­тя­же­нии.

В рам­ках кос­мо­ло­ги­че­ской мо­де­ли Timescape или «Вре­мен­но­го ланд­шаф­та» Уи­лт­ши­ра внут­рен­ние ча­си­ки Все­лен­ной ти­ка­ют мед­лен­нее возле гра­ви­та­ци­он­ных ям (скоп­ле­ний ма­те­рии) и быст­рее в пу­сто­тах. Всё как за­ве­щал Аль­берт Эйн­штейн в спе­ци­аль­ной тео­рии от­но­си­тель­но­сти.

На смену про­стой мо­де­ли рас­ши­ря­ю­щей­ся Все­лен­ной при­хо­дит более слож­ная кон­цеп­ция, по­лу­чив­шая на­зва­ние "Timescape" (вре­мен­ной ланд­шафт).

Со­глас­но этой тео­рии, пространство-​время не рас­ши­ря­ет­ся од­но­род­но, как воз­душ­ный шарик, а имеет слож­ную струк­ту­ру с об­ла­стя­ми раз­ной плот­но­сти. Пред­ставь­те себе не рав­но­мер­но рас­тя­ги­ва­ю­щий­ся шарик, а ско­рее бур­ля­щий океан, где одни об­ла­сти сжи­ма­ют­ся, а дру­гие рас­ши­ря­ют­ся.

Клю­че­вая идея новой тео­рии за­клю­ча­ет­ся в том, что гра­ви­та­ция ра­бо­та­ет по-​разному в раз­ных об­ла­стях кос­мо­са. В ме­стах скоп­ле­ния га­лак­тик пространство-​время ведёт себя иначе, чем в кос­ми­че­ских пу­сто­тах. И имен­но это раз­ли­чие со­зда­ёт ил­лю­зию все­об­ще­го рас­ши­ре­ния.

В недав­но про­ве­дён­ном ис­сле­до­ва­нии ав­то­ры ис­поль­зо­ва­ли дан­ные Pantheon+, вклю­ча­ю­щие на­блю­де­ния за сверх­но­вы­ми типа Ia, для про­вер­ки своей ги­по­те­зы. Ре­зуль­та­ты по­ка­за­ли, что эти дан­ные лучше со­от­но­сят­ся с мо­де­лью Timescape, неже­ли со стан­дарт­ной кос­мо­ло­ги­че­ской мо­де­лью. Од­на­ко ис­сле­до­ва­те­ли под­чёр­ки­ва­ют, что эти ре­зуль­та­ты не могут рас­смат­ри­вать­ся как окон­ча­тель­ные и тре­бу­ют до­пол­ни­тель­ных под­твер­жде­ний.

Как это ме­ня­ет наше по­ни­ма­ние Все­лен­ной?

Те­перь да­вай­те по­смот­рим, какие прак­ти­че­ские по­след­ствия это от­кры­тие может иметь для науки и на­ше­го по­ни­ма­ния кос­мо­са.

Преж­де всего, новая тео­рия "timescape" пред­ла­га­ет ра­ди­каль­но иной взгляд на при­ро­ду так на­зы­ва­е­мой тём­ной энер­гии. Ока­зы­ва­ет­ся, нам, воз­мож­но, во­об­ще не нужна эта за­га­доч­ная суб­стан­ция для объ­яс­не­ния на­блю­да­е­мых яв­ле­ний. Всё дело в том, как по-​разному ведёт себя пространство-​время в раз­ных об­ла­стях Все­лен­ной.

Прак­ти­че­ские след­ствия новой тео­рии

Самое ин­те­рес­ное на­чи­на­ет­ся, когда мы за­ду­мы­ва­ем­ся о прак­ти­че­ских след­стви­ях новой тео­рии. Вот несколь­ко клю­че­вых мо­мен­тов:

1. Пе­ре­смотр фун­да­мен­таль­ных кон­стант

- По­сто­ян­ная Хаб­б­ла те­ря­ет ста­тус уни­вер­саль­ной кон­стан­ты

- Гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная может за­ви­сеть от ло­каль­ной плот­но­сти ма­те­рии

- Ско­рость света оста­ет­ся по­сто­ян­ной, но её из­ме­ре­ние услож­ня­ет­ся

- Кос­мо­ло­ги­че­ская по­сто­ян­ная ста­но­вит­ся из­лиш­ней

2. Из­ме­не­ние пред­став­ле­ний о вре­ме­ни

- Время течет с раз­ной ско­ро­стью в раз­ных об­ла­стях Все­лен­ной

- Воз­раст раз­лич­ных кос­ми­че­ских объ­ек­тов тре­бу­ет пе­ре­сче­та

- Син­хро­ни­за­ция вре­ме­ни на кос­ми­че­ских рас­сто­я­ни­ях услож­ня­ет­ся

- По­яв­ля­ют­ся новые эф­фек­ты в гравитационно-​временных из­ме­ре­ни­ях

3. Воз­раст Все­лен­ной может ока­зать­ся со­всем дру­гим. Если рас­ши­ре­ние неод­но­род­но, то и наши рас­чё­ты воз­рас­та кос­мо­са при­дёт­ся пе­ре­смот­реть. Пред­ставь­те, что вы из­ме­ря­е­те ско­рость дви­же­ния по проб­ке в час пик - в раз­ных ме­стах она будет силь­но от­ли­чать­ся, и сред­няя ско­рость не даст точ­ной кар­ти­ны.

4. Судь­ба Все­лен­ной тоже может быть иной. Рань­ше счи­та­лось, что кос­мос либо будет рас­ши­рять­ся вечно, либо когда-​нибудь нач­нёт сжи­мать­ся. Те­перь по­яв­ля­ет­ся тре­тий ва­ри­ант: по­сто­ян­ное ди­на­ми­че­ское рав­но­ве­сие между раз­ны­ми об­ла­стя­ми.

5. Гра­ви­та­ци­он­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся иначе, чем мы ду­ма­ли. Это осо­бен­но важно для про­ек­тов вроде LIGO, изу­ча­ю­щих гра­ви­та­ци­он­ные волны от сли­я­ния чёр­ных дыр.

Ма­те­ма­ти­че­ское обос­но­ва­ние

Тео­рия Timescape ба­зи­ру­ет­ся на слож­ном ма­те­ма­ти­че­ском ап­па­ра­те, вклю­ча­ю­щем:

1. Новый под­ход к усред­не­нию урав­не­ний Эйн­штей­на

- Учет неод­но­род­но­стей в тен­зо­ре энергии-​импульса

- Вве­де­ние новых гра­нич­ных усло­вий для вой­дов

- Мо­ди­фи­ка­ция урав­не­ний для гра­ви­та­ци­он­но­го по­тен­ци­а­ла

- Раз­ра­бот­ка новых ме­то­дов чис­лен­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния

2. Ста­ти­сти­че­ский ана­лиз кос­мо­ло­ги­че­ских дан­ных

- При­ме­не­ние бай­е­сов­ской ста­ти­сти­ки к дан­ным сверх­но­вых

- Раз­ра­бот­ка новых ме­то­дов об­ра­бот­ки на­блю­де­ний

- Учет си­сте­ма­ти­че­ских оши­бок раз­лич­ной при­ро­ды

- Со­зда­ние новых ал­го­рит­мов ана­ли­за боль­ших дан­ных

Что даль­ше?

На­уч­ное со­об­ще­ство сей­час на­хо­дит­ся в ин­те­рес­ном по­ло­же­нии. С одной сто­ро­ны, новая тео­рия лучше объ­яс­ня­ет на­блю­да­е­мые дан­ные. С дру­гой сто­ро­ны, она тре­бу­ет се­рьёз­но­го пе­ре­смот­ра мно­гих усто­яв­ших­ся пред­став­ле­ний. Это на­по­ми­на­ет си­ту­а­цию, когда тео­рия от­но­си­тель­но­сти Эйн­штей­на при­шла на смену клас­си­че­ской ме­ха­ни­ке Нью­то­на.

Сле­ду­ю­щие шаги ис­сле­до­ва­те­лей вклю­ча­ют:

- Про­вер­ку тео­рии на новых дан­ных, осо­бен­но с по­мо­щью те­ле­ско­па James Webb

- Раз­ра­бот­ку более точ­ных ма­те­ма­ти­че­ских мо­де­лей

- Поиск спо­со­бов экс­пе­ри­мен­таль­ной про­вер­ки пред­ска­за­ний тео­рии

- Изу­че­ние воз­мож­ных тех­но­ло­ги­че­ских при­ме­не­ний новых зна­ний

Тех­но­ло­ги­че­ские пер­спек­ти­вы

Тео­рия Timescape может при­ве­сти к раз­ви­тию новых тех­но­ло­гий:

1. Кос­ми­че­ская на­ви­га­ция

- Со­зда­ние более точ­ных на­ви­га­ци­он­ных си­стем

- Учет неод­но­род­но­сти пространства-​времени при меж­звезд­ных по­ле­тах

- Раз­ра­бот­ка новых ме­то­дов опре­де­ле­ния по­ло­же­ния

- Со­зда­ние карт гра­ви­та­ци­он­ных по­тен­ци­а­лов

2. Новые ис­точ­ни­ки энер­гии

- Изу­че­ние воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния гра­ви­та­ци­он­ных гра­ди­ен­тов

- Раз­ра­бот­ка новых прин­ци­пов дви­же­ния в кос­мо­се

- Ис­сле­до­ва­ние энер­ге­ти­че­ских эф­фек­тов в неод­но­род­ном про­стран­стве

- Со­зда­ние более эф­фек­тив­ных кос­ми­че­ских дви­га­те­лей

За­клю­че­ние

Ис­то­рия науки по­ка­зы­ва­ет: каж­дый раз, когда мы ду­ма­ем, что уже всё по­ня­ли о Все­лен­ной, она пре­под­но­сит нам новые сюр­при­зы. Новая тео­рия "Timescape" может стать на­ча­лом оче­ред­ной ре­во­лю­ции в фи­зи­ке, срав­ни­мой по мас­шта­бу с кван­то­вой ме­ха­ни­кой или тео­ри­ей от­но­си­тель­но­сти.