Вселенная расширяется с ускоренной скоростью, возможно, из-за темной энергии. Тем не менее, напряжение Хаббла, расхождение в измерениях скорости расширения, бросает вызов существующим моделям и стимулирует продолжающиеся исследования в поисках объяснений.
Астрономы уже несколько десятилетий знают, что Вселенная расширяется. Когда они используют телескопы для наблюдения за далекими галактиками, они видят, что эти галактики удаляются от Земли.
По мнению астрономов, длина волны света, излучаемого галактикой, тем больше, чем быстрее галактика удаляется от нас. Чем дальше находится галактика, тем сильнее ее свет смещается в сторону более длинных волн на красной стороне спектра, то есть тем выше «красное смещение».
Время и расстояние во Вселенной
Поскольку скорость света конечна, быстра, но не бесконечно быстра, когда мы видим что-то далеко, это означает, что мы смотрим на вещь такой, какой она выглядела в прошлом. С далекими галактиками с большим красным смещением мы видим галактику, когда Вселенная была в более молодом состоянии. Таким образом, «высокое красное смещение» соответствует ранним временам во Вселенной, а «низкое красное смещение» соответствует поздним временам во Вселенной.
Но по мере того, как астрономы изучали эти расстояния, они узнали, что Вселенная не просто расширяется – ее скорость расширения ускоряется. И эта скорость расширения даже выше, чем предсказывает ведущая теория, оставляя космологов в недоумении и поисках новых объяснений.
Ускорение расширения и темная энергия
Источником этого ускорения ученые называют темную энергию. Мы не совсем уверены в том, что движет темной энергией или как она работает, но мы думаем, что ее поведение может быть объяснено космологической постоянной, которая является свойством пространства-времени, способствующим расширению Вселенной.
Альберт Эйнштейн изначально придумал эту константу – он обозначил ее лямбдой в своей общей теории относительности. При космологической постоянной, по мере расширения Вселенной, плотность энергии космологической постоянной остается неизменной.
Представьте себе коробку, полную частиц. Если объем коробки увеличивается, плотность частиц будет уменьшаться по мере того, как они будут распространяться, занимая все пространство в коробке. Теперь представьте себе ту же коробку, но по мере увеличения объема плотность частиц остается прежней.
Это не кажется интуитивным, не так ли? То, что плотность энергии космологической постоянной не уменьшается по мере расширения Вселенной, конечно, очень странно, но это свойство помогает объяснить ускоряющуюся Вселенную.
Лямбда-CDM: Стандартная модель космологии
В настоящее время ведущая теория, или стандартная модель, космологии называется «лямбда-CDM». Лямбда обозначает космологическую постоянную, описывающую темную энергию, а CDM означает холодную темную материю. Эта модель описывает как ускорение Вселенной на поздних стадиях, так и скорость расширения в ее ранние дни.
В частности, Lambda CDM объясняет наблюдения космического микроволнового фона, который является послесвечением микроволнового излучения, когда Вселенная находилась в «горячем, плотном состоянии» примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. Наблюдения с помощью спутника «Планк», который измеряет космический микроволновый фон, привели ученых к созданию модели Lambda CDM.
Подгонка модели Lambda CDM к космическому микроволновому фону позволяет физикам предсказывать значение постоянной Хаббла, которая на самом деле является не константой, а измерением, описывающим текущую скорость расширения Вселенной.
Но модель Lambda CDM не идеальна. Скорость расширения, которую ученые рассчитали, измеряя расстояния до галактик, и скорость расширения, описанная в Lambda CDM с использованием наблюдений космического микроволнового фона, не совпадают. Астрофизики называют это разногласие напряжением Хаббла.
Напряжение Хаббла
Напряжение Хаббла может указывать на то, что модель Lambda CDM неполна и физики должны изменить свою модель, или это может указывать на то, что исследователям пора придумать новые идеи о том, как работает Вселенная. А новые идеи – это всегда самое интересное для физика.
Один из способов объяснить натяжение Хаббла состоит в том, чтобы модифицировать лямбда-модель CDM, изменяя скорость расширения при низком красном смещении, в поздние моменты во Вселенной. Модификация модели таким образом может помочь физикам предсказать, какого рода физические явления могут вызывать напряжение Хаббла.
Например, темная энергия может быть не космологической константой, а результатом гравитации, работающей по-новому. Если это так, то темная энергия будет развиваться по мере расширения Вселенной, и космический микроволновый фон, который показывает, как выглядела Вселенная всего через несколько лет после ее создания, будет иметь другое предсказание для постоянной Хаббла.
Но последние исследования показали, что физики не могут объяснить напряжение Хаббла, просто изменяя скорость расширения в поздней Вселенной – весь этот класс решений недостаточен.
Изучение новых моделей
Чтобы изучить, какие типы решений могли бы объяснить напряжение Хаббла, разработали статистические инструменты, которые позволили проверить жизнеспособность всего класса моделей, изменяющих скорость расширения в поздней Вселенной. Эти статистические инструменты очень гибкие, и их использовали для сопоставления или имитации различных моделей, которые потенциально могли бы соответствовать наблюдениям скорости расширения Вселенной и могли бы предложить решение проблемы напряжения Хаббла.
Модели, которые тестировали, включают в себя эволюционирующие модели темной энергии, в которых темная энергия ведет себя по-разному в разное время во Вселенной. Также протестировали модели взаимодействия темной энергии и темной материи, где темная энергия взаимодействует с темной материей, и модифицированные модели гравитации, в которых гравитация действует по-разному в разные моменты времени во Вселенной.
Но ни один из них не мог полностью объяснить напряжение Хаббла. Эти результаты говорят о том, что физики должны изучить раннюю Вселенную, чтобы понять источник напряжения.
