"Сон разума рождает чудовищ"
(С) Ф. Гойя
Лямбда-CDM, лямбда-модель холодной темной материи или ΛCDM-модель - это математическая модель теории Большого взрыва, состоящая из трех основных компонентов:
1. космологическая постоянная, обозначаемая лямбда (Λ), связанная с темной энергией;
2. постулируемая холодная темная материя, обозначаемая CDM;
3. обычная материя.
Состав Вселенной согласно ΛCDM-модели:
Тёмная энергия — гипотетический вид энергии, введённый в ΛCDM-модели для объяснения так называемого "расширения Вселенной с ускорением".
Существует три варианта объяснения сущности тёмной энергии:
- тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума. Λ-член, впервые введённый в статье [1], Эйнштейн считал самой большой ошибкой в своей жизни.
- тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени. Квинтэссенция - пятая сущность, эта гипотеза была предложена в 1987 г. Кристофом Веттерихом [2]. Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого «квинтэссенцией». Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и тому подобные), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.
- тёмная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной. Согласно этой гипотезе, тёмной энергии нет вообще, а ускоренное расширение Вселенной объясняется неизвестными свойствами сил гравитации, которые начинают проявляться на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.
Из приведенного списка следует, что представления о том, что такое есть "тёмная энергия", весьма туманны. В 2010 году Том Шэнкс из Даремского университета поставил под сомнение результаты WMAP, подтверждающие существование тёмной энергии, в связи с эффектом размытия реликтового излучения. Регулярно появляются резонансные статьи с критикой тёмной энергии.
Перейдем от первой тёмной сущности ко второй, которая в отличие от первой обладает более широким спектром гипотез для своего объяснения. Итак:
Тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Понятие тёмной материи введено для теоретического объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования (в них задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи); среди прочих предложенных оно наиболее удовлетворительно.
Кандидаты на роль тёмной материи (основные гипотезы):
1) Барионная тёмная материя
По мере развития астрофизики и утверждения гипотезы о тёмной материи для ряда специалистов наиболее естественным было предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. Кандидатами на роль подобных объектов могли бы быть планеты, коричневые карлики, красные карлики, белые карлики, нейтронные звезды и чёрные дыры.
На данный момент считается, что доля барионного вещества в составе тёмной материи мала. Во-первых, эксперименты по поиску объектов барионной тёмной материи в гало нашей Галактики путём выявления событий гравитационного микролинзирования света звёзд привели к заключению, что доля таких компактных объектов, по крайней мере с массами в диапазоне от 10−7 до 102 масс Солнца, составляет не более 8 %. С другой стороны, ни один известный тип кандидатов на роль составляющих тёмной материи не соответствует наблюдательным данным по её количеству. Кроме того, из космологических соображений следует, что соотношение первичных концентраций лёгких элементов, в особенности доля дейтерия (наблюдаемое в самых старых астрономических объектах), свидетельствует о достаточно малом вкладе барионов в полную плотность Вселенной — всего 4,5 % от значения критической плотности, тогда как полученные независимыми методами оценки массы всего вещества дают 20-30 % этого значения.
2) Небарионная тёмная материя
Нейтрино: частицы, не участвующие в сильном и электромагнитном взаимодействиях, закономерно стали исторически первыми кандидатами на роль частиц тёмной материи. В отличие от остальных кандидатов, они существуют и описываются в рамках Стандартной модели. Однако численное моделирование показало, что нейтрино, будучи очень лёгкими, имели бы в ранней Вселенной очень высокие скорости, то есть представляли бы собой горячую тёмную материю, и формирование структуры происходило бы сверху вниз (от более крупного масштаба к мелкому), и в результате она отличалась бы от наблюдаемой сейчас. Так было показано, что обычные нейтрино из Стандартной модели не могут быть частицами тёмной материи. После этого закономерно возникло предположение, что частицами тёмной материи являются тяжёлые нейтрино — некая не открытая ранее разновидность. Если бы они доминировали в ранней Вселенной, то в такой среде флуктуации начали бы расти гораздо раньше, чем в барионной, и крупномасштабная структура Вселенной успела бы сформироваться. Согласно опубликованной в начале 1990-х годов гипотезе, тёмная материя могла бы состоять из так называемых стерильных нейтрино (впервые предсказанных Бруно Понтекорво), которые не участвуют даже в слабом взаимодействии и могут образовываться из обычных нейтрино лишь посредством осцилляций.
Аксионы: аксионы представляют собой гипотетические нейтральные псевдоскалярные частицы, введённые изначально для решения проблемы отсутствия сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике. Считается, что аксионы относятся к холодной тёмной материи, однако они должны быть очень лёгкими: астрофизические и лабораторные данные дают ограничения на массу аксиона не более 10−3 эВ, а космологические соображения — не менее 10−4-10−6 эВ.
Суперсимметричные частицы: гипотетические частицы, описываемые в рамках суперсимметричных теорий, не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях и если они стабильны, могли бы быть распространены во Вселенной и играть важную роль в её эволюции, то есть быть частицами тёмной материи. Первоначально на эту роль предлагалось только гравитино, однако с появлением минимальной суперсимметричной Стандартной модели большую популярность приобрела гипотеза о том, что такой частицей является нейтралино — смешанное состояние суперпартнёров фотона, Z-бозона, и бозона Хиггса, — оно действительно должно быть стабильно благодаря сохранению R-чётности. Считается, что нейтралино вышли из термодинамического равновесия с обычным веществом, имея температуру, меньшую, чем их масса, то есть относятся к холодной тёмной материи. Такие частицы, как и любые другие гипотетические слабовзаимодействующие массивные нейтральные элементарные частицы (WIMPs, вимпы), какова бы ни была их природа, должны иметь сечение аннигиляции, близкое к сечению слабого взаимодействия (~10−36 см2), и массу не менее нескольких масс нуклона, чтобы обеспечить свойства, наблюдаемые у холодной тёмной материи.
Как известно, главной целью большого адронного коллайдера (БАК) был поиск новой физики (то есть новых частиц) на уровнях энергии ≪ 𝑙_0 (𝑙_0 - элементарная длина, см https://dzen.ru/a/Z349SowcyDLCjDN1). Однако все многочисленные эксперименты не обнаружили никакой новой физики на этих уровнях ≪ 𝑙_0: ни суперсимметрии, ни частиц тёмной материи, вообще ничего, что могло бы указать за пределы стандартной модели. Не было получено ни одного указания на существование частиц небарионной тёмной материи. Постигшее физиков разочарование красочно описано Сабиной Хоссенфельдер в книге «Уродливая Вселенная» [3].
Остаётся барионная тёмная материя. Однако здесь мы имеем два контраргумента: 1) гравитационное микролинзирование света звёзд; 2) космологическое ограничение на образование первичной концентрации барионной материи. Если в случае гравитационного микролинзирования результаты еще далеки от окончательных, то второй контраргумент имеет ультимативный характер. Вот что пишет по этому поводу Стивен Вайнберг в своей книге "Мечты об окончательной теории" ("Dreams of a Final Theory"):
Нам известно, что большая часть массы галактик, и еще большая часть массы скоплений галактик является темной, т.е. не состоит из светящихся звезд типа Солнца. Еще больше темной материи требуется для того, чтобы объяснить скорость расширения Вселенной в рамках популярных космологических теорий. Такой избыток темной материи не может существовать в форме обычных атомов. Если ли бы это было так, то существование дополнительного большого числа протонов, нейтронов и электронов повлияло бы на расчеты распространенности легких элементов, образованных в первые несколько минут расширения Вселенной, так то результаты этих расчетов перестали бы согласовываться с наблюдениями [4].
То есть гипотеза Большого взрыва отрицает наличие барионной тёмной материи (в размере 20-30% от всей массы), иначе расчёты по модели Большого взрыва не совпадут с реальностью.
В связи этим возникает следующий вопрос: Существует ли альтернатива современной космологической парадигме? Этот вопрос эквивалентен следующему вопросу: существуют ли другие интерпретации красного смещения и микроволнового фонового излучения? Наиболее правдоподобной среди всех предложенных интерпретаций красного смещения (включая и стандартную как следствие `разбегания' галактик) является следующая интерпретация: красное смещение есть следствие эффекта Допплера, имеющего гравитационную природу. Гравитационный эффект Допплера впервые был рассмотрен Эйнштейном в его ранних работах (1907-11гг.) по теории гравитации [5,6] (см. также эффект Паунда-Ребки [7]). В работе [6] определяется изменение частоты света (эффект Допплера) в присутствии однородного (постоянного) гравитационного поля (более подробно см. https://dzen.ru/a/ZrAW8HNvQTDoAk_X).
В любой точке Вселенной гравитационное поле, являющееся производной от среднего распределения материи, отлично от нуля. Закон Хаббла и выражает этот очевидный факт. Следовательно, параметр Хаббла имеет существенно гравитационный характер, и это многое объясняет. Действительно, общая теория относительности описывает гравитационное поле, т.е. искривление метрики (кривизну континуума), даже для предположения о топологии мира необходимы дополнительные данные, и тем более, эта теория не содержит в себе такого понятия как расширение континуума.
Далее, каким образом интерпретируется микроволновое фоновое излучение (второй основной космологический факт) в этой картине мира? Поскольку Вселенная есть неограниченная система галактик, существующая как целое вне времени, то фоновое излучение является чернотельным излучением, установившимся в результате суммарного теплового излучения равномерно распределенной светящейся материи (звезды, галактики) в радио- и оптическом диапазоне волн. Мы можем рассматривать эту картину мира как альтернативу существующей ныне космологической парадигмы. К этой же картине мира приходит группа астрономов во главе с В. С. Троицким, нашедшим убедительные экспериментальные доказательства против космологии Большого взрыва [8].
После ввода в строй в 2022 г. космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) ситуация в наблюдательной астрономии кардинально изменилась. Так, в мае 2024 г. JWST обнаружил две необычно яркие и активные древние галактики, которые мы видим в том состоянии, в котором они находились через 290 и 300 млн лет после предполагаемого Большого Взрыва. Анализ спектра галактик показал наличие большого количества пыли и кислорода - тяжелых элементов, которые образуются в звездах, взрывающихся в конце своей жизни. Эти особенности указывают на то, что несколько поколений массивных звезд успели сменится к моменту, когда Вселенной "исполнилось" всего 300 млн лет. Однако согласно современной теории звездообразования формирование таких галактик никак не могло произойти в течении 300 млн лет.
Таким образом, если исключить предположение о расширении Вселенной, то всё грандиозное нагромождение гипотез о тёмных субстанциях рухнет как карточный домик.
В XIII веке монах-францисканец Уильям Оккам сформулировал методологический принцип (бритва Оккама), в кратком виде гласящий:
«Не следует привлекать новые сущности без крайней на то необходимости»
Сам Уильям Оккам писал: «Что может быть сделано на основе меньшего числа [предположений], не следует делать, исходя из большего» и «Многообразие не следует предполагать без необходимости». Очевидно, что этот принцип как нельзя кстати и в случае нашей истории о тёмных сущностях в космологии.
В заключении, как и в случае с моделью кварков (см. https://dzen.ru/a/Z58rxi3ESFL3LfEN), возникает очередная ассоциация с картинами Босха, навеянная также эпиграфом Гойи. На приведённом ниже фрагменте два тёмных пса пожирают человека:
ЛИТЕРАТУРА
1. Эйнштейн А. Вопросы космологии и общей теории относительности. // Собр. науч. тр. М.: Наука, 1965, Т. 1, с. 601-612.
2. C. Wetterich, Nucl. Phys. B 302, 668 (1988).
3. Хоссенфельдер С. Уродливая Вселенная. М.: Эксмо, 2018.
4. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М.: Изд-во ЛКИ, 2008
5. Эйнштейн А. О принципе относительности и его следствиях. // Собр. науч. тр. М.: Наука, 1965, Т. 1, с. 65-114.
6. Эйнштейн А. О влиянии силы тяжести на распространение света. // Собр. науч. тр. М.: Наука, 1965, Т. 1, с. 165-174.
7. Паунд Р. В. О весе фотонов // УФН, 72:4 (1960), 673–683; https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=ufn&paperid=12397&option_lang=rus
8. Троицкий В. С. Экспериментальные свидетельства против космологии Большого взрыва. // УФН, 1995, Т. 165, с. 703-707. https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=ufn&paperid=1089&option_lang=rus