Тихое недоумение ученых за последние годы переросло в громкий кризис. Два безупречных, но абсолютно разных ответа на простой вопрос — «с какой скоростью расширяется Вселенная?» — грозят обрушить один из краеугольных камней современной физики. Несоответствие указывает на то, что в наших представлениях о пространстве, времени и гравитации может скрываться фундаментальная ошибка. На кону — судьба стандартной модели космологии и, возможно, наследие самого Альберта Эйнштейна.
В начале XX века Альберт Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описав гравитацию как искривление пространства-времени массой. Изначально он, как и многие, считал Вселенную статичной. Однако вскоре астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются, доказав, что Вселенная расширяется.
К концу XX века открытия посыпались одно за другим. Наблюдения за сверхновыми звездами в 1990-х годах показали, что расширение не просто продолжается — оно ускоряется. Чтобы объяснить это, ученые вернулись к старой идее Эйнштейна — космологической постоянной, но наполнили ее новым смыслом. Теперь эту загадочную силу отталкивания называют темной энергией. Одновременно астрономы, изучая вращение галактик, поняли, что видимой массы для их удержания катастрофически не хватает. Так в модель ввели второй невидимый компонент — холодную темную материю.
Так родилась стандартная модель космологии, известная как Lambda-CDM (ΛCDM), где Λ — это темная энергия, а CDM — холодная темная материя. Она блестяще описывала практически все крупномасштабные наблюдения: от распределения галактик до тончайшей ряби в реликтовом излучении — первом свете Вселенной, появившемся спустя всего 380 тысяч лет после Большого взрыва. Модель казалась идеальной и незыблемой.
Ключевой величиной в этой картине мира стала постоянная Хаббла (H0) — число, которое описывает сегодняшнюю скорость расширения пространства. Ее можно измерить двумя независимыми путями: заглянув в далекое прошлое Вселенной (ранний метод) или изучив близкие к нам объекты (поздний метод). Lambda-CDM предполагала, что оба пути приведут к одному результату. Это и стало ее главной проверкой на прочность.
Четыре загадки космоса
Загадка первая: непримиримые цифры
Расхождение, или «напряженность Хаббла», оказалось не мелкой статистической погрешностью, а настоящей проблемой.
- Ученые берут сверхточные данные по реликтовому излучению от спутников вроде «Планка», которые предоставляют информацию о молодой Вселенной. Используя уравнения Lambda-CDM, они «прокручивают» историю космоса вперед на 13,8 миллиарда лет и вычисляют, с какой скоростью он должен расширяться сегодня. Этот метод дает значение около 68 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния (км/с/Мпк). Один мегапарсек — это примерно 3,26 миллиона световых лет.
- Другая группа астрофизиков измеряет расстояния до близких галактик, используя как «космические линейки» особый класс взрывающихся звезд — сверхновые типа Ia. Они напрямую замеряют сегодняшнюю скорость разбегания. Результат упрямо показывает большее значение: от 73 до 74 км/с/Мпк.
Разница в 5-6 единиц кажется небольшой, но в мире прецизионной космологии, где погрешности стремятся к долям процента, это — проблема. Вселенная сегодня явно расширяется быстрее, чем предсказывают модели. Напряженность не исчезла с появлением новых, более точных инструментов. Напротив, измерения лишь укрепили позиции обеих сторон, подтвердив, что расхождение реально.
Загадка вторая: почему не помогают «темные» заплатки
Первой инстинктивной реакцией ученых была попытка подправить успешную модель Lambda-CDM, не ломая ее полностью. Они начали экспериментировать со свойствами уже введенных загадочных сущностей — темной энергии и темной материи.
Можно ли, например, сделать темную энергию в ранней Вселенной сильнее, чтобы «растолкнуть» ее и получить конечную скорость расширения? Исследования показывают — такие попытки лишь слегка смягчают напряжение, но не устраняют его полностью. Аналогичные манипуляции со свойствами темной материи также не дают удовлетворительного решения.
Более радикальный путь — добавить в модель совершенно новый, экзотический компонент, некий вид ранней темной энергии или иной формы материи. Однако, как показал анализ, чтобы полностью ликвидировать разрыв, потребовалось бы внести в раннюю Вселенную колоссальное количество дополнительной энергии. Это немедленно разрушило бы другую, идеальную согласованность модели с наблюдаемыми данными: например, с тем, как формируются и распределяются галактики или с характерными колебаниями в их скоплениях (барионными акустическими осцилляциями). Стандартная модель — тонко сбалансированная система, и грубые вмешательства выводят ее из строя.
Загадка третья: может ли быть виновата «комковатость» Вселенной?
Ученые обратились к другому фундаментальному допущению Lambda-CDM — космологическому принципу. Он гласит, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, то есть материя распределена равномерно. Это справедливо для молодой Вселенной, какой ее запечатлело реликтовое излучение. Но за 13 миллиардов лет гравитация проделала свою работу: вещество собралось в галактики, скопления и сверхскопления, оставив между ними гигантские пустоты — войды.
Эта «комковатость» может влиять на общую скорость расширения. Плотные скопления галактик гравитационно связаны и не расширяются вместе с пространством. А вот огромные, почти пустые войды, наоборот, могут расширяться быстрее среднего. Этот эффект, называемый «обратной реакцией», стандартная модель полностью игнорирует, предполагая, что в очень больших масштабах все усредняется.
Расчеты показали, что если бы обратная реакция изменяла скорость расширения даже на один процент, этого хватило бы для решения загадки Хаббла. Первые упрощенные модели вселяли надежду. Однако последующие полноценные компьютерные симуляции, учитывающие этот эффект в рамках Lambda-CDM, разочаровали ученых. Оказалось, что влияние «комковатости» на среднее расширение Вселенной пренебрежимо мало. Этот путь тоже оказался тупиком.
Загадка четвертая: так что же, Эйнштейн ошибался?
Когда попытки подлатать старую модель исчерпали себя, часть космологов заговорила о необходимости более смелого шага — пересмотра самих основ. Если добавление новых компонентов и учет неоднородности не работают, значит, проблема может крыться в ядре нашей теории — в уравнениях гравитации Эйнштейна.
Общая теория относительности никогда не давала сбоев в прямых экспериментальных проверках — от движения планет до обнаружения гравитационных волн. Но космология испытывает ее на пределе. Одной из самых многообещающих альтернатив становится теория Эйнштейна-Картана, предложенная еще в 1922 году французским математиком Эли Картаном.
Чем она отличается? В стандартной общей теории относительности пространство-время искривляет только масса (энергия). Теория Эйнштейна-Картана добавляет к этому новый геометрический параметр — кручение (торсию). В этой теории кручение напрямую связано с внутренним угловым моментом (спином) элементарных частиц. Проще говоря, искривлять пространство-время может не только масса, но и квантовый спин составляющей ее материи.
Это не просто математическое изящество. Введение кручения — один из самых минимальных и физически обоснованных способов расширить теорию Эйнштейна, так как спин — реальное, измеряемое свойство всей материи. Важно, что вне облаков вещества, в пустом пространстве, кручение исчезает, поэтому все классические предсказания теории Эйнштейна для, скажем, движения планет или искривления света, остаются в силе. Но внутри материи и на космологических масштабах, где суммарный спин частиц колоссален, кручение может влиять на динамику всей Вселенной.
Предварительные расчеты в рамках этой теории показывают ошеломляющий результат: она может естественным образом объяснить наблюдаемое ускоренное расширение, приводя значение постоянной Хаббла в точное согласие с измерениями сверхновых — к тем самым 73-74 км/с/Мпк. Более того, теория с кручением предлагает проверяемое отличие: она меняет фундаментальное соотношение между двумя способами измерения расстояний во Вселенной (так называемое уравнение дуальности расстояний Этерингтона). Проверка этого предсказания станет решающим аргументом.
Post Scriptum
Кризис с постоянной Хаббла — не просто техническая сложность. Это симптом возможной глубокой перестройки нашей физической картины мира, аналогичной переходу от ньютоновской механики к теории относительности.
Окончательный вердикт вынесут не теоретические споры, а новые, невиданные по точности наблюдения. На передовой этой революции находится космический телескоп «Евклид» (Euclid) Европейского космического агентства, запущенный в июле 2023 года. Его задача — создать гигантскую трехмерную карту Вселенной, измерив форму и расстояние до миллиардов галактик. Он будет с беспрецедентной точностью изучать, как растут космические структуры и как темная энергия (или альтернативная ей гравитация) влияла на расширение на протяжении 10 миллиардов лет.
Любое изменение законов гравитации, будь то введение кручения или другие модификации, неизбежно скажется на том, как формируются скопления галактик. «Евклид» и другие будущие миссии, такие как Nancy Grace Roman Space Telescope, смогут уловить эти следы.
Сейчас космология переживает один из самых драматичных моментов в своей истории. Либо мы найдем неуловимую систематическую ошибку в наших сложнейших измерениях, либо нам предстоит стать свидетелями рождения новой теории гравитации, которая включит в себя не только массу, но и квантовый спин как творческую силу мироздания. Оба исхода ведут к новому, более глубокому пониманию Вселенной.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости