Вселената се оказа грешна

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Космолозите са изправени пред сериозен научен проблем, който показва несъвършенството на човешкото познание за Вселената. Сложността се отнася до такова на пръв поглед тривиално нещо като скоростта на разширяване на Вселената. Факт е, че различните методи показват различни значения - и досега никой не може да обясни странното несъответствие.

Космическа мистерия

В момента стандартният космологичен модел "Ламбда-CDM" (ΛCDM) най-точно описва еволюцията и структурата на Вселената. Според този модел Вселената има ненулева положителна космологична константа (ламбда термин), която причинява ускорено разширяване. В допълнение, ΛCDM обяснява наблюдаваната структура на CMB (космически микровълнов фон), разпределението на галактиките във Вселената, изобилието от водород и други леки атоми и самата скорост на вакуумно разширение. Въпреки това, сериозно несъответствие в скоростта на разширяване може да показва необходимостта от радикална промяна в модела.

Физикът-теоретик Вивиан Пулен от Френския национален център за научни изследвания и лабораторията за Вселената и частиците в Монпелие твърди, че това означава следното: нещо важно се е случило в младата Вселена, за което все още не знаем. Може би това е феномен, свързан с неизвестен тип тъмна енергия или нов вид субатомни частици. Ако моделът го вземе предвид, несъответствието ще изчезне.

На прага на криза

Един от начините за определяне на скоростта на разширяване на Вселената е изследването на микровълновия фон - реликтовата радиация, възникнала 380 хиляди години след Големия взрив. ΛCDM може да се използва за извличане на константата на Хъбъл чрез измерване на големи флуктуации в CMB. Оказа се, че е равно на 67, 4 километра в секунда за всеки мегапарсек, или около три милиона светлинни години (при такава скорост обектите се разминават един от друг на подходящо разстояние). В този случай грешката е само 0,5 километра в секунда на мегапарсек.

Ако получим приблизително същата стойност, използвайки различен метод, това ще потвърди валидността на стандартния космологичен модел. Учените измерват видимата яркост на стандартните свещи - обекти, чиято яркост винаги е известна. Такива обекти са например свръхнови тип Ia – бели джуджета, които вече не могат да поглъщат материя от големи звезди-придружители и експлодират. По видимата яркост на стандартните свещи можете да определите разстоянието до тях. Успоредно с това можете да измерите червеното изместване на свръхновите, тоест изместването на дължините на вълната на светлината към червената област на спектъра. Колкото по-голямо е червеното отместване, толкова по-голяма е скоростта, с която обектът се отстранява от наблюдателя.

Така става възможно да се определи скоростта на разширяване на Вселената, която в този случай се оказва равна на 74 километра в секунда за всеки мегапарсек. Това не съответства на стойностите, получени от ΛCDM. Въпреки това е малко вероятно грешката в измерването да обясни несъответствието.

Според Дейвид Грос от Института по теоретична физика Кавли към Калифорнийския университет в Санта Барбара във физиката на елементарните частици подобно несъответствие не би се нарекло проблем, а криза. Редица учени обаче не са съгласни с тази оценка. Ситуацията беше усложнена от друг метод, който също се основава на изследването на ранната Вселена, а именно барионните акустични трептения - трептения в плътността на видимата материя, изпълваща ранната Вселена. Тези вибрации се причиняват от плазмени акустични вълни и винаги са с известни размери, което ги прави да изглеждат като стандартни свещи. В комбинация с други измервания, те дават константата на Хъбъл в съответствие с ΛCDM.

Нов модел

Има вероятност учените да са направили грешка, когато са използвали свръхнови тип Ia. За да определите разстоянието до отдалечен обект, трябва да построите стълба за разстояние.

Първото стъпало на тази стълба са цефеидите - променливи звезди с точна връзка период-светимост. Цефеидите могат да се използват за определяне на разстоянието до най-близките свръхнови от тип Ia. В едно от изследванията вместо цефеиди са използвани червени гиганти, които на определен етап от живота достигат максимална яркост – тя е еднаква за всички червени гиганти.

В резултат на това константата на Хъбъл се оказа 69,8 километра в секунда на мегапарсек. Няма криза, казва Уенди Фридман от Чикагския университет, един от авторите на статията.

Но това твърдение също беше поставено под въпрос. Сътрудничеството H0LiCOW измерва константата на Хъбъл с помощта на гравитационно лещи, ефект, който се получава, когато масивно тяло огъва лъчи от отдалечен обект зад себе си. Последните биха могли да бъдат квазари - ядрата на активни галактики, захранвани от свръхмасивна черна дупка. Благодарение на гравитационните лещи могат да се появят няколко изображения на един квазар наведнъж. Чрез измерване на трептенето на тези изображения учените са извели актуализирана константа на Хъбъл от 73,3 километра в секунда на мегапарсек. В същото време учените до последно не знаеха възможния резултат, което изключва възможността за измама.

Резултатът от измерването на константата на Хъбъл от естествени мазери, образувани при въртене на газ около черна дупка, се оказа 74 километра в секунда на мегапарсек. Други методи дават 76,5 и 73,6 километра в секунда на мегапарсек. Проблеми възникват и при измерването на разпределението на материята във Вселената, тъй като гравитационното лещи дава различна стойност в сравнение с измерванията на микровълновия фон.

Ако се окаже, че несъответствието не се дължи на грешки в измерването, тогава ще се изисква нова теория, която да обясни всички налични данни в момента. Едно възможно решение е да се промени количеството тъмна енергия, което причинява ускорено разширяване на Вселената. Въпреки че повечето учени са за това да се прави без актуализиране на физиката, проблемът остава нерешен.