Наука, которую мы считали незыблемой, вдруг может оказаться красивой, но неверной сказкой. Представьте: всё, что астрономы десятилетиями рассказывали нам о космическом микроволновом фоне как о "первом свете Вселенной", может иметь совершенно иное объяснение. Новое исследование, опубликованное в журнале Nuclear Physics B, бросает вызов устоявшимся представлениям о происхождении Вселенной, предлагая альтернативную и, надо признать, революционную гипотезу.
В мире науки такие встряски случаются нечасто, но когда они происходят, то буквально переворачивают наше мировоззрение с ног на голову. Помните, как все были уверены, что Солнце вращается вокруг Земли? Или как до Эйнштейна пространство и время считались абсолютными? Так вот, мы, похоже, стоим на пороге очередной такой революции.
Космический микроволновый фон: что это и почему он так важен
Если вы не астрофизик, то космический микроволновый фон (CMB) может звучать как что-то из научной фантастики. Но для космологов это как Святой Грааль, краеугольный камень всей современной астрономии. Попробую объяснить на пальцах: представьте, что вы включили старый телевизор, а там "снег" — помехи между каналами. Так вот, примерно 1% этих помех — это и есть реликтовое излучение, пришедшее к нам из глубин космоса и времени.
По общепринятой версии, CMB — это излучение, оставшееся от "младенчества" Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет от роду (по космическим меркам — совсем крошка). До этого момента Вселенная была непрозрачной плазмой, а потом остыла настолько, что образовались нейтральные атомы, и свет наконец смог свободно путешествовать сквозь пространство. Этот свет, растянутый расширением Вселенной, мы и наблюдаем сегодня как микроволновое излучение.
CMB был случайно обнаружен в 1964 году Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, которые пытались избавиться от шума в своей радиоантенне. Этот "шум" оказался равномерно распределенным по всему небу, что навело ученых на мысль, что это может быть тот самый предсказанный "отголосок" Большого взрыва. За это открытие они получили Нобелевскую премию, а космология обрела свой "Святой Грааль".
С тех пор на орбиту были запущены специальные спутники — COBE, WMAP и Planck, которые с невероятной точностью измерили температуру этого излучения: 2,7255 Кельвина. Что еще важнее, они обнаружили крошечные температурные флуктуации в этом излучении — буквально одна стотысячная градуса! Эти флуктуации, как считалось, и есть "семена", из которых впоследствии выросли галактики и их скопления.
Когда классическая модель начинает трещать по швам
Наука — штука упрямая. Пока теория объясняет наблюдения, все при делах. Но стоит появиться фактам, которые в нее не укладываются, и начинается самое интересное. В последние годы с нашей стройной космологической теорией начали происходить странности.
Во-первых, в самом CMB обнаружились аномалии, которые плохо вписываются в стандартную модель. Например, одна половина неба (южное полушарие) показывает больше "мощности" в излучении, чем другая. По теории Большого взрыва и инфляции, такого быть не должно — Вселенная должна выглядеть примерно одинаково во всех направлениях.
Еще одна головная боль для космологов — так называемая "аномалия 21-см линии". В 2018 году эксперимент EDGES обнаружил сигнал от нейтрального водорода на красном смещении z=17,5 (это соответствует времени, когда Вселенной было всего 200 миллионов лет), который оказался вдвое сильнее, чем предсказывает стандартная космология. Что-то явно не так с нашим пониманием ранней Вселенной.
Но настоящий переполох в научном сообществе вызвали наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба. Этот технологический монстр, запущенный на орбиту в 2021 году, начал обнаруживать массивные, полностью сформированные галактики на красных смещениях z>13, когда Вселенной было меньше 400 миллионов лет от роду! По стандартной модели, таких "взрослых" галактик в столь юной Вселенной просто не должно существовать. Как выразился один астроном: "Это все равно что обнаружить полностью развитого взрослого человека через месяц после зачатия".
Эта проблема получила название "невозможно ранних галактик". И она ставит современную космологию в весьма неловкое положение. Либо наша модель формирования галактик неверна, либо... что-то не так с нашим пониманием самих основ Вселенной.
Галактики-бунтари: новый взгляд на старую историю
И вот тут на сцену выходят авторы нового исследования, астрофизики Эда Гьерго и Павел Крупа. Они предлагают радикально переосмыслить происхождение космического микроволнового фона. Что если CMB — это не отголосок Большого взрыва, а суммарное термализованное излучение от ранних массивных галактик?
Согласно их гипотезе, самые массивные эллиптические галактики (те самые, которые стандартная теория не может объяснить) формировались очень быстро и очень рано — примерно в эпоху красных смещений z=15-20, когда Вселенной было всего 200-300 миллионов лет. В отличие от стандартной "иерархической" модели, где галактики постепенно растут путем слияния более мелких структур, эти массивные галактики формировались практически монолитно — через быстрый коллапс гигантских облаков газа размером около 400 килопарсек.
Самое интересное в их теории — это объяснение, почему эти ранние галактики были такими яркими. По их расчетам, в этих галактиках звездообразование шло с колоссальной скоростью — около 1000 солнечных масс в год (для сравнения, наш Млечный Путь сейчас формирует всего 1-2 солнечные массы в год). Но и это не всё. В таких экстремальных условиях начальная функция масс звезд (IMF) была "top-heavy" — то есть формировалось непропорционально много массивных звезд, которые в тысячи раз ярче солнцеподобных.
В результате на пике своей активности такая галактика могла быть в 10 000 раз ярче, чем сейчас! А когда по всей Вселенной одновременно формировались миллионы таких сверхъярких галактик, их суммарное излучение создавало мощный фотонный фон.
Но почему мы видим это излучение как однородный микроволновый фон, а не как отдельные источники? Тут в игру вступает космическая пыль. Интенсивное звездообразование быстро приводило к синтезу тяжелых элементов в звездах, которые затем выбрасывались в межгалактическую среду через супернова взрывы и звездные ветры. Эти тяжелые элементы формировали пылевые частицы, которые поглощали и переизлучали свет звезд в инфракрасном и микроволновом диапазоне.
Когда новая гипотеза переворачивает всё с ног на голову
Если гипотеза Гьерго и Крупы верна, то последствия для космологии будут поистине революционными. По их расчетам, излучение ранних массивных галактик может составлять от 1,4% до 100% наблюдаемой энергетической плотности CMB, в зависимости от принятых предположений.
Но что это значит для Большого взрыва? Означает ли это, что его не было? Не совсем. Авторы не отрицают Большой взрыв как таковой, но ставят под сомнение интерпретацию CMB как его прямого свидетельства. Возможно, настоящее реликтовое излучение скрыто под более мощным сигналом от ранних галактик, или его вклад гораздо меньше, чем считалось ранее.
Новая гипотеза элегантно объясняет многие наблюдательные факты, которые трудно согласовать со стандартной моделью. Например, тот факт, что в южном полушарии неба наблюдается больше мощности в CMB, может быть связан с тем, что там расположено больше массивных эллиптических галактик, как показали более ранние исследования.
Также эта теория может объяснить загадочную аномалию 21-см линии. Если в эпоху z=15-20 действительно происходило интенсивное формирование массивных галактик с большим количеством массивных звезд, то ультрафиолетовое излучение этих звезд могло сильнее, чем ожидалось, влиять на температуру межгалактического водорода, что и привело бы к наблюдаемому усилению сигнала.
Но самое главное — новая гипотеза прекрасно согласуется с наблюдениями телескопа Джеймса Уэбба, обнаружившего "невозможно ранние" массивные галактики. По сути, эти наблюдения из проблемы превращаются в подтверждение теории. Выходит, что не наблюдения противоречат теории, а старая теория не соответствовала реальности!
Это как если бы вы десятилетиями пытались заставить пазл сложиться, а потом внезапно поняли, что всё это время держали в руках детали от разных наборов. Перестановка причины и следствия — реликтовое излучение как следствие формирования галактик, а не наоборот — меняет всю космологическую картину.
Научные дебаты и проверка реальностью
Как и любая революционная идея, гипотеза Гьерго и Крупы встречает и будет встречать сопротивление научного сообщества. Что абсолютно нормально — наука движется вперед через постоянную проверку и критику. Макс Планк когда-то заметил, что "новая научная истина побеждает не потому, что убеждает своих оппонентов, а потому, что оппоненты в конце концов умирают, и вырастает новое поколение, с самого начала знакомое с этой истиной".
Но в отличие от многих альтернативных космологических теорий, эта гипотеза имеет одно важное преимущество — она проверяема. Будущие наблюдения должны подтвердить или опровергнуть ее ключевые положения.
Например, если CMB действительно генерируется ранними галактиками, то должна существовать корреляция между анизотропией CMB и распределением этих галактик. С совершенствованием наших телескопов мы сможем увидеть все больше и больше таких ранних объектов и проверить, соответствует ли их распределение структуре CMB.
Кроме того, изучение химического состава и звездного населения самых ранних галактик поможет определить, действительно ли начальная функция масс в них была "top-heavy". Наблюдения ALMA (Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая антенна) уже начинают обнаруживать пыль в галактиках с z>7, что согласуется с гипотезой о быстром обогащении межгалактической среды тяжелыми элементами.
Еще один важный тест — более точные измерения сигнала 21-см линии от нейтрального водорода в ранней Вселенной. Если новая гипотеза верна, то должна существовать корреляция между этим сигналом и эпохой формирования массивных галактик.
А что думает сообщество космологов? Как обычно, мнения разделились. Некоторые считают идею интересной, но преждевременной. Другие указывают на то, что стандартная модель все же объясняет большинство наблюдений и не стоит отказываться от нее из-за нескольких аномалий. Третьи настроены более радикально и считают, что мы действительно стоим на пороге космологической революции.
Когда рушатся старые догмы, рождаются новые знания
История науки — это история революций. От геоцентрической модели Птолемея к гелиоцентрической системе Коперника, от абсолютного пространства Ньютона к искривленному пространству-времени Эйнштейна — каждый раз казалось, что мы наконец поняли Вселенную, и каждый раз она оказывалась сложнее и интереснее, чем мы думали.
Возможно, мы снова стоим на пороге такой революции. Если гипотеза о том, что космический микроволновый фон в значительной степени генерируется ранними массивными галактиками, подтвердится, нам придется переписать учебники по космологии. Но это не повод для расстройства — наоборот, это показывает, что наука живет и развивается, что мы продолжаем узнавать всё больше о нашей удивительной Вселенной.
Красота науки в том, что она не догма, а постоянно развивающийся процесс. Теория всегда остается теорией — набором идей, который лучше всего объясняет имеющиеся наблюдения на данный момент. Когда новые наблюдения перестают укладываться в старую теорию, приходит время для новых идей.
И порой самые революционные идеи приходят не от попыток "заштопать дыры" в существующей теории, а от смелого взгляда с совершенно иной точки зрения. Как говорил Эйнштейн: "Проблемы нельзя решить на том же уровне мышления, на котором они возникли".
Что бы ни показали будущие исследования, сам факт появления таких смелых гипотез показывает, что космология остается живой и динамичной наукой. И кто знает, может быть, через десять лет мы будем рассказывать детям совсем другую историю о происхождении Вселенной. Историю, в которой не будет упоминаться "реликтовое излучение" как свидетельство Большого взрыва, а вместо этого будет рассказ о том, как первые массивные галактики своим ярким светом осветили юную Вселенную, создав то самое свечение, которое мы сегодня называем космическим микроволновым фоном.
В конечном счете, наука — это не столько о том, чтобы быть правым, сколько о том, чтобы становиться менее неправым с течением времени. И каждая научная революция — это шаг к более глубокому пониманию нашего удивительного космоса.