05.10.2024. - Вселенная устроена более гладко

Вселенная устроена более гладко

Учитывая, насколько непостижимо велика Вселенная, возможно, понятно, что мы еще не раскрыли все ее секреты. Но на самом деле есть несколько довольно простых особенностей, которые, как нам казалось, мы могли бы объяснить, и которые космологи все чаще пытаются осмыслить.

Недавние измерения распределения материи во Вселенной (так называемой крупномасштабной структуры), по-видимому, противоречат предсказаниям стандартной космологической модели, которая является нашим лучшим пониманием того, как устроена Вселенная.

Стандартная модель была разработана около 25 лет назад и успешно воспроизвела целый ряд наблюдений. Но некоторые из последних измерений крупномасштабной структуры, над которыми я работаю, показывают, что материя менее сгруппирована (сглажена), чем это должно быть в соответствии со стандартной моделью.

Этот результат заставляет космологов ломать голову в поисках объяснений. Некоторые решения являются относительно обыденными, например, неизвестные систематические ошибки в измерениях. Но есть и более радикальные решения. К ним относятся переосмысление природы темной энергии (силы, ускоряющей расширение Вселенной), обращение к новой силе природы или даже изменение теории гравитации Эйнштейна в самом широком масштабе.

В настоящее время данные не позволяют с легкостью провести различие между различными конкурирующими идеями. Но результаты предстоящих исследований позволят сделать гигантский скачок в точности. Возможно, мы стоим на пороге окончательного разрушения стандартной космологической модели.

Ранняя Вселенная

Чтобы понять природу нынешнего напряжения и возможные пути его устранения, важно понять, как формировалась и впоследствии эволюционировала структура Вселенной. Большая часть нашего понимания основана на измерениях космического микроволнового фона (CMB). Реликтовое излучение - это излучение, которое заполняет Вселенную и является остатком первых нескольких сотен тысяч лет космической эволюции после Большого взрыва (для сравнения, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиарда лет).

Ученые случайно обнаружили реликтовое излучение в 1964 году (что принесло им Нобелевскую премию), но его существование и свойства были предсказаны годами ранее.

В полном соответствии с некоторыми из самых ранних теоретических работ, наблюдаемая сегодня температура реликтового излучения составляет невероятно низкие 3 Кельвина (-270°C). Однако в очень ранние времена она была достаточно горячей (миллионы градусов), чтобы обеспечить синтез всех легких элементов во Вселенной, включая гелий и литий, в более тяжелые.

Спектр реликтового излучения (света с разбивкой по длине волны) позволяет предположить, что в прошлом оно находилось в тепловом равновесии с веществом, то есть у них было одинаковое распределение энергий. Вещество и излучение могут достичь теплового равновесия только в очень плотных средах. Таким образом, измерения реликтового излучения убедительно демонстрируют, что Вселенная когда-то была чрезвычайно горячим и плотным местом, где вся материя и излучение были упакованы в очень маленьком пространстве.

По мере расширения Вселенной она быстро охлаждалась. При этом некоторые из существовавших в то время свободных электронов были захвачены протонами, образовав атомы водорода. Эта "эра рекомбинации" наступила примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. После этого момента Вселенная внезапно стала менее плотной, поэтому реликтовое излучение "высвободилось", чтобы беспрепятственно распространяться, и с тех пор оно практически не взаимодействовало с материей.

Поскольку излучение очень древнее, проводя измерения реликтового излучения сегодня, мы узнаем об условиях ранней Вселенной. Но подробное картографирование реликтового излучения говорит нам гораздо больше, чем это.

Ключевой вывод из карт реликтового излучения, полученных с помощью телескопа "Планк", заключается в том, что в ранние времена Вселенная также была исключительно однородной. Плотность и температура вещества и излучения во Вселенной варьировались от места к месту всего на 0,001%. Если бы наблюдались более экстремальные колебания, то это вещество и излучение были бы гораздо более сгруппированы.

Эти вариации, или "флуктуации", имеют фундаментальное значение для того, как впоследствии развивалась структура Вселенной. Без этих флуктуаций не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, а значит, и жизни. Очень интересный вопрос: откуда взялись эти флуктуации?

В настоящее время мы считаем, что они являются результатом квантовой механики, теории микромира, состоящего из атомов и частиц. Квантовая механика показывает, что пустое пространство обладает некоторой фоновой энергией, которая допускает внезапные локальные изменения, такие как появление и исчезновение частиц. Квантовая природа материи и энергии была с поразительной точностью подтверждена в лаборатории.

Считается, что эти колебания достигли больших масштабов в очень быстрый период расширения ранней Вселенной, называемый "инфляцией", хотя подробный механизм, лежащий в основе инфляции, до сих пор полностью не изучен.

Со временем эти колебания усилились, и распределение вещества и излучения во Вселенной стало более упорядоченным. Области, которые были немного плотнее, обладали более сильным гравитационным притяжением и, таким образом, притягивали еще больше вещества, что увеличивало плотность, что усиливало гравитационное притяжение и так далее. Регионы с несколько меньшей плотностью населения проигрывали, становясь со временем все более пустынными — космический случай, когда богатые становятся еще богаче, а бедные - еще беднее.

С течением времени колебания усилились до такой степени, что начали формироваться галактики и звезды, причем галактики распределялись по знакомым нитям и узлам, которые образуют "космическую паутину".

Стандартное объяснение

Скорость, с которой флуктуации нарастают с течением времени, и то, как они группируются в пространстве, зависит от нескольких факторов: природы гравитации, составляющих компонентов материи и энергии во Вселенной и того, как эти компоненты взаимодействуют (как между собой, так и друг с другом).

Эти факторы включены в стандартную космологическую модель. Модель основана на общей теории относительности Эйнштейна (нашем лучшем понимании гравитации), которая предполагает, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах, то есть для каждого наблюдателя она выглядит одинаково во всех направлениях.

Это также предполагает, что материя и энергия во Вселенной состоят из обычной материи ("барионов"), темной материи, состоящей из относительно тяжелых и медленно движущихся частиц ("холодной" темной материи) и постоянного количества темной энергии (космологическая постоянная Эйнштейна, обозначаемая Лямбда).

С момента своего появления примерно 25 лет назад эта модель успешно объяснила огромное количество наблюдений Вселенной в больших масштабах, включая подробные свойства реликтового излучения.

И до самого недавнего времени он также отлично подходил для различных измерений кластеризации крупномасштабных структур в более поздние времена. На самом деле, некоторые измерения крупномасштабной структуры все еще очень хорошо описываются стандартной моделью, и это может дать важный ключ к пониманию происхождения текущего напряжения.

Помните, что реликтовое излучение показывает нам скопление вещества (флуктуации) в ранние периоды времени. Таким образом, мы можем использовать стандартную модель для развития этого процесса во времени и предсказать, как это теоретически должно выглядеть сегодня. Если это предсказание совпадает с наблюдениями, это является очень убедительным свидетельством того, что составляющие стандартной модели верны.

Напряженность "S8"

Что изменилось в последнее время, так это то, что точность наших измерений крупномасштабной структуры, особенно на очень поздних этапах, значительно повысилась. Различные исследования, такие как исследование темной энергии и исследование в килограммах, выявили несоответствия между наблюдениями и стандартной моделью.

Другими словами, существует несоответствие между колебаниями раннего и позднего времени: Колебания позднего времени не так велики, как ожидалось. Космологи называют это столкновение "напряжением S8", поскольку S8 - это параметр, который мы используем для характеристики скопления материи во Вселенной позднего времени.

В зависимости от конкретного набора данных вероятность того, что напряженность является статистической случайностью, может составлять всего 0,3%. Но со статистической точки зрения этого недостаточно, чтобы полностью исключить стандартную модель.

Однако в ряде независимых наблюдений есть явные намеки на напряженность. И попытки объяснить это систематическими неточностями в измерениях или моделировании на сегодняшний день просто не увенчались успехом.

Например, ранее предполагалось, что, возможно, энергичные негравитационные процессы, такие как ветры и струи из сверхмассивных черных дыр, могут привнести достаточно энергии, чтобы изменить скопление вещества в больших масштабах.

Однако мы показали, используя современное космологическое гидродинамическое моделирование (называемое Flamingo), что такие эффекты кажутся слишком малыми, чтобы объяснить противоречие со стандартной моделью космологии.

Если напряженность действительно указывает нам на изъян в стандартной модели, это будет означать, что что-то в основных компонентах модели неверно.

Это имело бы огромные последствия для фундаментальной физики. Например, напряженность может указывать на то, что в нашем понимании гравитации или природы неизвестной субстанции, называемой темной материей или темной энергией, что-то не так. В случае с темной материей одна из возможностей заключается в том, что она взаимодействует сама с собой посредством неизвестной силы (чего-то, выходящего за рамки простой гравитации).

В качестве альтернативы, возможно, темная энергия не постоянна, а эволюционирует со временем, о чем могут свидетельствовать первые результаты исследования прибора Dark Energy Survey Instrument (Desi). Некоторые ученые даже рассматривают возможность существования новой (пятой) силы природы. Это была бы сила, сходная по силе с гравитацией, которая действовала бы в очень больших масштабах и замедляла бы рост структуры.

Но учтите, что любые модификации стандартной модели также должны учитывать множество наблюдений за Вселенной, которые модель успешно объясняет. Это непростая задача. И прежде чем мы перейдем к грандиозным выводам, мы должны быть уверены, что напряженность реальна, а не просто статистическая флуктуация.

Хорошей новостью является то, что предстоящие измерения крупномасштабной структуры с помощью Desi, обсерваторий Рубина, Евклида, обсерватории Саймонса и других экспериментов позволят с помощью гораздо более точных измерений подтвердить, является ли напряжение реальным.

Они также смогут тщательно протестировать многие из предложенных альтернатив стандартной модели. Возможно, в течение следующих нескольких лет мы исключим стандартную космологическую модель и глубоко изменим наше понимание того, как устроена Вселенная. Или же модель может быть подтверждена и более надежна, чем когда-либо. Быть космологом - это захватывающее время.

Источник