Физики постарались объяснить более быстрое, чем ожидалось, расширение космоса.
Несоответствие между тем, как быстро расширяется Вселенная, и тем, как мы ожидаем, что она будет расширяться, является одной из самых упорно сохраняющихся аномалий космологии.
Космологи основывают свои ожидания на скорости расширения (скорости, известной как константа Хаббла) и на измерениях излучения, испускаемого вскоре после Большого взрыва. Это излучение раскрывает точные ингредиенты ранней вселенной. Космологи вставляют эти ингредиенты в свою модель космической эволюции и анализируют её, чтобы увидеть, как быстро пространство должно расширяться сегодня.
Однако предсказание не дает результатов: когда космологи наблюдают астрономические объекты, такие как пульсирующие звезды и взрывающиеся сверхновые, они видят вселенную, которая расширяется быстрее, с более крупной константой Хаббла.
Разница, известная как напряжение Хаббла, сохраняется, несмотря на то, что все измерения стали более точными. Некоторые астрофизики продолжают спорить о том, может ли это напряжение быть не более чем погрешностью измерений. Но если расхождение реально, это означает, что чего-то не хватает в космологической модели Вселенной.
В последнее время теоретики заняты воображением новых космических ингредиентов, которые при добавлении к стандартной модели будут увеличивать ожидаемую скорость расширения Вселенной, приводя ее в соответствие с наблюдениями.
"Открытие аномалий - это фундаментальный путь развития науки", - сказал Ави Лоэб (Avi Loeb), космолог из Гарвардского университета и один из десятков исследователей, предложивших решения для напряжения Хаббла.
Это одни из лучших идей для того, что может ускорить космическую экспансию.
Распадающаяся темная материя
Стандартная модель космологии включает в себя все привычные формы материи и излучения и их взаимодействия. Она также включает в себя невидимые вещества, известные как темная энергия и темная материя, которые вместе составляют около 96% Космоса. Поскольку об этих темных ингредиентах известно так мало, они, возможно, являются очевидным местом, чтобы начать вмешательство в стандартную модель. "Это как раз то, что нам необходимо знать, чтобы понять как изменяется скорость расширения вселенной," сказал Лоэб.
Стандартная модель предполагает, что темная материя состоит из медленно движущихся частиц, которые не взаимодействуют со светом. Но что, если мы также предположим, что темная материя не состоит только из одного вещества? Так как многие различные виды видимых частиц - кварки, электроны и так далее - могут быть множественными темными частицами.
В статье, опубликованной в июне 2019 года в Physical Review D, Лоэб и два его соавтора рассматривали форму темной материи, которая распадается на более светлую частицу и частицу без массы, известную как темный фотон. По мере того, как все больше и больше темной материи распадается с течением времени, они рассуждали, что ее гравитационное притяжение уменьшилось бы, и, таким образом, расширение Вселенной ускорилось бы, снимая напряжение Хаббла.
Но внесение таких небольших изменений в стандартную космологическую модель может иметь нежелательные эффекты. "Очень легко придумать всевозможные незначительные изменения", - сказал Марк Камионковский, физик-теоретик из Университета Джона Хопкинса, - но это трудно сделать, сказал он, не разрушив модель, идеально подходящую для множества других астрономических наблюдений".
Изменяя скорость распада и количество темной материи, которое теряется в каждом распаде, Лоэб и его коллеги выбрали модель распада темной материи, которая, по их словам, до сих пор согласуется с другими астрономическими наблюдениями. "Если добавить этот ингредиент к стандартной модели космологии, то все будет держаться вместе", - сказал Лоэб.
Однако он по-прежнему недоволен идеей распадающейся темной материи, отчасти потому, что она привносит в уравнения две новые неопределенные переменные".
"В этом случае вы добавляете два свободных параметра для того, чтобы разрешить одно несоответствие - и меня это не устраивает", - сказал он, сравнивая распадающуюся темную материю с эпициклами в ориентированной на Землю модели Вселенной Птолемея. "Я бы предпочел, чтобы два несоответствия объяснялись одним параметром".
Постоянная темная энергия
С тех пор как в 1998 году было сделано удивительное открытие, что расширение Вселенной ускоряется, космологи включили в свою модель космической эволюции отталкивающую темную энергию. Но ее природа остается загадкой. Самая простая возможность заключается в том, что темная энергия - это "космологическая постоянная" - энергия самого космоса, с постоянной плотностью везде. Но что, если количество темной энергии во Вселенной не является постоянным?
Часть 2