Новое исследование того, как быстро расширяется космос, не согласуется с оценками, основанными на ранней Вселенной.
Наша вселенная разлетается на части в каждый момент быстрее чем в предыдущий. Ученые знают об этом ускорении с конца 1990-х годов, но что бы ни вызывало его, называемое темной энергией, неизвестно им. Теперь последние измерения того, как быстро растет космос, еще больше утолщают сюжет: Вселенная, похоже, взлетает быстрее, чем должна, даже после учета ускоряющегося расширения, вызванного темной энергией.
Эксперты сравнили новое измерение скорости космического расширения, названное константой Хаббла, с предсказаниями того, что константа Хаббла должна быть основана на данных, полученных из ранней Вселенной. Загадочное противоречие, на которое намекали в более ранних данных и которое было подтверждено в новых вычислениях, означает, что одно или оба исследования ошибочны, либо что темная энергия или какой-то другой аспект природы действует не так, как мы думаем.
"Суть в том, что Вселенная выглядит так, будто расширяется на 8% быстрее, чем вы могли бы себе представить, исходя из того, как она выглядела в молодости и как мы ожидаем, что она будет развиваться",
- говорит руководитель исследования Адам Рисс.
"Мы должны отнестись к этому чертовски серьезно".
Он и его коллеги описали свои выводы, основанные на наблюдениях с космического телескопа Хаббла, в статье, представленной на прошлой неделе в Астрофизический журнал и размещенной на сервере предварительной печати arXiv. Одна из самых захватывающих гипотез в том, что темная энергия еще более странна, чем предполагает ведущая теория. Большинство наблюдений подтверждают идею о том, что она представляет собой "космологическую константу", термин Альберта Эйнштейна. Такая темная энергия возникала бы из пространства, которое, согласно квантовой механике, вовсе не пусто, а заполнено парами "виртуальных" частиц и античастиц, постоянно появляющихся и исчезающих. Они будут нести энергию, которая, в свою очередь, может оказывать своеобразную отрицательную гравитацию, выталкивающую все во Вселенной наружу. Однако постоянное несоответствие Хаббла предполагает, что темная энергия может на самом деле изменяться, потенциально вызывая возрастающее ускорение космоса, а не постоянную внешнюю силу. Одна из теорий, предлагающая этот тип темной энергии, утверждает, что она возникает из поля, пронизывающего пространство-время, и может принимать различные значения в разных точках.
Альтернативные теории
Альтернативным объяснением расхождения, однако, является то, что вселенная содержит дополнительную фундаментальную частицу, выходящую за пределы тех, о которых мы знаем. В частности, новый вид нейтрино - почти безмассовая частица, которая до сих пор поступает в трех известных разновидностях, - может объяснить расхождение в измерениях константы Хаббла. Если бы существовал дополнительный тип нейтрино, то большая часть общей энергии приняла бы форму излучения, а не материи. И эти идеи являются лишь двумя возможными последствиями измерений. Другая тория предполагает, что Вселенная не плоская, как считалось, а слегка изогнутая. Теоретики с энтузиазмом занимаются всеми этими понятиями и даже больше, но ученые, работающие над экспериментами, говорят, что сначала они должны попытаться найти недостатки в своих измерениях, которые могли бы объяснить расхождение.
"В принципе, в космологии происходит что-то, чего мы не понимаем, или что-то происходит с данными",
- говорит Чарльз Беннетт, который работал над измерениями константы Хаббла из ранней вселенной и не был вовлечен в последнее исследование.
"Один из них намного интереснее, но я думаю, что другой может быть более вероятным".
Рисс и его команда рассчитали, как быстро растет Вселенная, сравнив расстояния до различных галактик с их красными смещениями - мера того, насколько длина волны их света была растянута за счет расширения Вселенной. Вычисление расстояний было непростым делом, требующим техники, которую исследователи называют "построение лестницы на расстоянии". Сначала они использовали проверенные методы рассчета расстояний до близких галактик, затем использовали эти расстояния для калибровки измерений переменных звезд внутри галактик. Эти звезды, цефеиды, периодически светятся и тускнеют, позволяя им служить в качестве космических мертвецов. Наконец, исследователи использовали цефеиды, которые видны лишь относительно близко, для калибровки измерений специального класса взрывов сверхновых, называемых Типа 1a, которые извергаются с известной яркостью, позволяющей астрономам делать выводы об их расстояниях. Получив надежные измерения близких сверхновых, они могли сравнивать их с более далекими сверхновыми того же типа, чтобы получить очень точные показания их расстояний.
По сути, это та же самая техника, которую Рисс и его коллеги использовали в 1990-х годах, чтобы обнаружить первое доказательство того, что расширение Вселенной происходило в ускоренном режиме - открытие, которое позже принесло ему и двум другим Нобелевскую премию по физике.
"Для каждой из этих 10 галактик мы наблюдали их около 12 раз в течение примерно 100 дней",
- говорит Саманта Л. Хоффман из Техасского университета A&M, которая проанализировала большую часть данных.
"Это было довольно сложное дело".
Новейшее измерение ставит скорость расширения Вселенной на уровне 73, 02, плюс-минус 1, 79 километра в секунду на мегапарсек, что означает, что на каждый мегапарсек, который вы выходите, космос отступает примерно на 73 километра в секунду быстрее. Константа Хаббла, с другой стороны, является результатом наблюдений космического микроволнового фона - света, оставшегося от большого взрыва и пронизывающего все небо. Исследователи изучали закономерности в КМБ и, основываясь на наиболее известных космологических законах, экстраполировали их на современную эпоху, чтобы получить константу Хаббла.
"Раньше были эти намеки на напряженность в двух измерениях",
- говорит Дэн Скольник из Чикагского университета, член команды Riess.
"Теперь и наша команда, и команда Планка провели повторный анализ, и эти намеки стали чем-то более сильным. У нас есть этот тревожный звонок, что действительно может быть что-то большее. Это, возможно, самое большое напряжение в космологии сейчас".
Последний результат также хорошо согласуется с другими измерениями константы Хаббла.
"Я думаю, что интересно, что они увеличили размер своей выборки, и результат практически не изменился",
- говорит Венди Фридман. На данный момент это впечатляющий прогресс, но на самом деле для проведения точного измерения на этом уровне требуются независимые методы. Как это в конечном итоге разрешится, еще слишком рано говорить. Фридман возглавляет работу по выполнению тех же вычислений с использованием другого типа переменных звезд космического масштаба-RR Lyrae на месте Цефеидов. Со стороны CMB ученые также продолжают анализировать данные и искать объяснения того, что могло пойти не так. Беннетт, возглавлявший миссию по картированию CMB перед экспериментом Планка под названием "Анизотропийный микроволновой зонд Уилкинсона", говорит, что в данных CMB также есть расхождения, например, между тем, что измеряют спутники, глядя на небо в маленьком масштабе, и тем, что больше по размеру.
"Прежде чем я сделаю выводы о космологии, я хотел бы сначала разобраться в этих вещах",
- говорит он. В целом, он в восторге от прогресса.
"Мы прошли через годы и годы, когда мы не знали величины константы Хаббла в два раза, а теперь говорим о том, чтобы получить ее в пределах двух процентов",
- добавляет он.
"Эти вещи, которые мы сравниваем, обладают прекрасной точностью, и это является свидетельством для многих людей в этой области. Послание здесь в том, что это еще не конец. Мы должны продолжать двигаться вперед".
