Астрономы подтвердили, что наш Млечный Путь находится в центре колоссальной пустоты, простирающейся на два миллиарда световых лет. Это не просто любопытный факт — существование такой структуры само по себе противоречит фундаментальным представлениям об устройстве Вселенной. Если данные верны, ученым придется переписывать учебники и искать новую физику, чтобы объяснить, как такое вообще могло образоваться.
Мы живем внутри астрономической аномалии — пустоты настолько огромной, что ученым пришлось пересмотреть само ее название. То, что исследователи скромно именуют «локальной дырой», на деле простирается на два миллиарда световых лет. Представьте себе область пространства настолько огромную, что просто не хватает слов для ее описания. Это крупнейшая из известных нам космических пустот. И где-то рядом с ее центром, словно случайный путник на дне бездонного колодца, расположилась наша галактика.
Сама по себе пустота не представляет непосредственной опасности. Звезды не взрываются, планеты не сталкиваются. Но есть одна проблема, которая заставляет космологов всего мира нервничать: этой пустоты не должно существовать в принципе. По крайней мере, если верна теория, которую десятилетиями считали незыблемой.
Речь идет о космологическом принципе — основе основ современной науки о Вселенной. Этот принцип утверждает, что материя в космосе на самых крупных масштабах распределена равномерно, как изюм в хорошо промешанном тесте. Если гигантская пустота реальна, значит, наше «тесто» совсем неоднородно, и краеугольный камень космологии начинает крошиться.
Именно из-за серьезности последствий долгие годы астрономы отказывались верить в реальность «локальной дыры». Слишком уж опасной для устоявшихся догм она казалась. Но за последние годы доказательства накапливались, и скепсис ученых сменился вынужденным признанием факта. Более того, исследователи нашли и другие структуры, чьи размеры ставят под сомнение наши модели мироздания. Сегодня вопрос стоит ребром: если мы действительно обитаем в «локальной дыры», не пора ли кардинально менять представления о гравитации, природе темной материи или обо всем сразу?
Однородность как догмат веры
Идея того, что Вселенная везде устроена одинаково, уходит корнями в глубокую древность, но в науке ее отчетливо сформулировал еще Исаак Ньютон. Он предположил, что движение звезд и планет подчиняется закону всемирного тяготения, который работает везде без исключений.
Современная трактовка этого принципа гласит: Вселенная должна быть изотропной и однородной. Простыми словами, с какой бы точки на нее ни смотреть, картина распределения вещества будет выглядеть примерно одинаково. Если мысленно разделить космос на гигантские кубы, каждый из них должен содержать примерно равное количество галактик.
У этого есть четкое физическое обоснование. Сразу после Большого взрыва материя представляла собой невероятно плотный горячий шар. Затем, в эпоху инфляции, он раздулся до колоссальных размеров за ничтожные доли секунды. Этот стремительный рост, подобно растягиванию резинового листа, должен был сгладить все неровности, «размазав» материю равномерно. В итоге мы и получили космос, где галактики распределены более или менее равномерно.
Сегодня эти представления встроены в стандартную космологическую модель — наше главное объяснение того, как росла и развивалась Вселенная. Помимо принципа однородности, модель включает в себя существование загадочной темной энергии, ответственной за ускоренное расширение пространства, и темной материи — невидимого вещества, которое взаимодействует с обычной материей только через гравитацию.
Эта модель блестяще работает. Она идеально объясняет количество гелия и дейтерия, образовавшихся в первые минуты жизни Вселенной, а также структуру реликтового излучения — «эха» Большого взрыва. Но есть нюанс: космологический принцип действует в статистическом смысле. Вселенная в среднем однородна, но небольшие сгустки и разрежения вполне допустимы. Гравитация должна была стягивать вещество в галактики и их скопления, но у этого процесса есть предел, обусловленный возрастом космоса.
Астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета поясняет: вероятность появления крупных структур или пустот можно рассчитать, и она может быть очень низкой, но никогда не равна нулю. Главное ограничение: по теории, мы не должны видеть пустот или скоплений шире примерно 1,2 миллиарда световых лет.
Как нашли то, чего быть не может
Первые намеки на то, что наш регион Вселенной живет по своим правилам, появились в 1990 году. Томас Шэнкс из Даремского университета в Великобритании с коллегами изучал оптические фотографии ближайших окрестностей космоса и подсчитал количество галактик. Их оказалось меньше, чем предсказывали расчеты.
В 1997 году другая команда астрономов повторила подсчет, но уже по инфракрасным снимкам. Результат подтвердился — галактик в нашем районе не хватало.
Окончательные доказательства получили в 2013 году трое исследователей: Райан Кинард из Института астрономии и астрофизики Академии Синика на Тайване, Эми Баргер из Висконсинского университета в Мадисоне и Леннокс Коуи из Гавайского университета. Они применили передовые методы инфракрасной съемки и не только снова зафиксировали пониженную плотность, но и впервые смогли нанести пустоту на карту.
Леннокс Коуи вспоминает, что тогда всем стало совершенно ясно: перед ними локальное разрежение. Исследователи выяснили: мы живем внутри области пространства диаметром два миллиарда световых лет, где плотность вещества примерно на двадцать процентов ниже средней по Вселенной.
Эту зону теперь называют либо «локальной дырой», либо пустотой KBC — по первым буквам фамилий ее первооткрывателей (Keenan, Barger, Cowie). Правда, некоторые сомнения оставались: вдруг пустота лишь кажется пустой, потому что мы не видим всю материю? Ведь существует множество объектов, не излучающих в оптическом или инфракрасном диапазоне.
Однако с тех пор дыру изучили практически всеми доступными методами. Например, в 2020 году вышло исследование, анализировавшее рентгеновское излучение. Вывод остался прежним: в пустоте KBC плотность вещества ниже среднего. Томас Шэнкс уверен, что наблюдения убедительны, а подсчет галактик — простой и надежный метод.
Головная боль для космологов
Итак, факт существования гигантской пустоты признан. Но он оставляет теоретиков с серьезной проблемой. Что, если Вселенная вовсе не такая однородная, как мы привыкли думать? Леннокс Коуи считает, что обнаружение такого несоответствия действительно подтолкнет космологию к переменам. И пустота KBC — не единственный повод для беспокойства.
В 2019 году аспирантка Центрального Ланкаширского университета Алексия Лопес тестировала новый метод анализа изображений обзора неба Sloan Digital Sky Survey. Она использовала способность ярчайших объектов — квазаров — подсвечивать более тусклую материю. Результат превзошел ожидания. В 2021 году Лопес опубликовала работу об открытии гигантской дуги из галактик, протянувшейся на три целых и три десятых миллиарда световых лет.
Это лишь одна из нескольких огромных структур, найденных за последние годы. Например, еще в 1989 году ученые обнаружили «Великую стену» галактик размером не менее пятисот миллионов световых лет. В 2003 году нашли Великую стену Слоуна длиной около полутора миллиардов световых лет. А рекордсменом пока остается Великая стена Геркулес — Северная Корона, открытая десять лет назад. Ее длина достигает десяти миллиардов световых лет.
Все эти гиганты напрямую конфликтуют с космологическим принципом, который, напомним, запрещает структуры крупнее одного миллиарда двухсот миллионов световых лет. А в этом году Алексия Лопес нашла рядом с дугой еще и «Большое кольцо» диаметром один миллиард двести миллионов световых лет. Вероятность обнаружить даже одну такую формацию ничтожна, а найти две рядом — практически чудо. Лопес призывает не отмахиваться от этих данных как от статистических ошибок, а задуматься, на что они намекают.
Томас Шэнкс, комментируя находки Лопес, проявляет осторожность. Он признает, что зрелище интересное, но предупреждает: человеческий глаз очень чувствителен к распознаванию узоров вроде колец, и это может сыграть с исследователями злую шутку. Но если эти структуры реальны (а большинство астрономов склоняются к этому), то стандартная космологическая модель дает сбой.
Тройной удар по теории
Проблема гигантских пустот и стен — не единственная «трещина» в фундаменте. Существует так называемое «хаббловское напряжение» (Hubble tension). Мы знаем, что Вселенная расширяется с ускорением. Скорость этого расширения описывается постоянной Хаббла. Беда в том, что разные методы измерения дают разные результаты.
Если мы измеряем этот параметр в далеком космосе, на крупных масштабах, то получаем одно число. Если же мы меряем расширение по ближайшим к нам галактикам, цифра оказывается примерно на десять процентов выше. Складывается впечатление, что наш локальный участок Вселенной расширяется быстрее, чем остальная ее часть. Споры об этом не утихают годами.
К этому добавляется проблема «потоковых движений» (bulk flows). Так ученые называют перемещения целых скоплений галактик. В прошлом году астроном Брент Талли из Гавайского университета с коллегами изучал эти потоки внутри пустоты KBC. Оказалось, что они движутся в четыре раза быстрее, чем предсказывает стандартная модель.
Брент Талли связывает это наблюдение с проблемой постоянной Хаббла и считает, что вместе они указывают на серьезный изъян в наших представлениях. Исследователь из Сент-Эндрюсского университета Индранил Баник, изучавший пустоту KBC, говорит уже о настоящем кризисе в космологии. По его мнению, в рамках стандартной модели решить эту головоломку «невозможно», поэтому пришло время искать альтернативы.
В поисках выхода: гравитация или темная материя?
Чтобы объяснить существование пустот и гигантских структур, нужно найти механизм, который позволяет материи собираться в крупные объекты быстрее, чем мы привыкли считать. У ученых есть два основных пути: либо подправить закон гравитации на больших расстояниях, либо изменить свойства темной материи.
Индранил Баник и его коллеги недавно протестировали первый вариант. Они обратились к старой и спорной идее под названием МОНД (модифицированная ньютоновская динамика). Эта гипотеза предполагает, что гравитация становится сильнее обычной на очень больших масштабах.
Команда Баника рассчитала, как МОНД повлияет на нашу локальную область, если мы живем в пустоте с дефицитом массы в двадцать процентов. Модель показала, что в такой ситуации вещество (включая сверхновые и галактики, по которым меряют расширение) будет постоянно вытекать из пустоты. Его будет притягивать более плотная материя за пределами дыры. В результате локальное измерение скорости расширения (та самая завышенная постоянная Хаббла) получает логичное объяснение. Кроме того, модель совпала с последними данными по сверхбыстрым потокам галактик. Алексия Лопес считает такие результаты интересными, поскольку они могут пролить свет и на природу открытых ею гигантских дуг.
Однако МОНД — гипотеза глубоко спорная. Она фактически отрицает существование темной материи, реальность которой подтверждается множеством других наблюдений. Сам Баник подчеркивает, что не считает свою работу окончательным решением. Скорее, она показывает: небольшая настройка стандартной модели способна ускорить формирование структур. Он полагает, что подойдет менее радикальный вариант МОНД, где общая теория относительности меняется совсем чуть-чуть, делая гравитацию слегка сильнее на масштабах больше миллиона световых лет, но не затрагивая темную материю и другие устои теории. Тем более что гравитацию на таких дистанциях никто толком не проверял.
Если Баник ошибается, и гравитация тут ни при чем, значит, разгадку нужно искать в свойствах темной материи. Стандартная модель называет ее «холодной» — медленной и почти не взаимодействующей ни с чем, кроме гравитации. В этой парадигме структуры растут иерархически: мелкие объекты сливаются в крупные.
Но некоторые космологи допускают, что темная материя может быть «горячей». То есть она состоит из почти невесомых частиц, движущихся с околосветовой скоростью, например, из нейтрино. Тогда формирование структур идет в обратном порядке: сначала возникают гигантские объекты, которые потом дробятся до размера галактик. Эта теория лучше объясняет существование сверхструктур и пустот, но хуже согласуется с другими наблюдениями.
Существует и компромиссный вариант: темная материя взаимодействует с обычным веществом через неизвестную пятую силу природы. Гарри Десмонд из Портсмутского университета допускает, что можно «сконструировать» такое взаимодействие темной материи с самой собой или с барионами (обычным веществом), которое ускорило бы сборку галактик в крупные структуры.
Есть и совсем экзотические идеи, например, космические струны. Эти гипотетические объекты тоньше протона, но могут простираться на миллиарды световых лет. Алексия Лопес предполагает, что такие струны могли бы играть роль дополнительных гравитационных каркасов, притягивающих вещество. Однако Баник считает такое решение маловероятным, ведь даже если струны существуют, они должны встречаться крайне редко.
Особенные или нет?
Понятно одно: найти решение будет непросто. Приямвада Натараджан подчеркивает, что существующую космологическую модель невероятно трудно опровергнуть. Любое изменение в одной части системы может вызвать нежелательные последствия в другой. Например, ускорение формирования структур может непредсказуемо повлиять на рождение звезд, галактик или черных дыр.
Томас Шэнкс высказывает еще одну мысль: возможно, пустоты и гигантские стены встречаются во Вселенной гораздо чаще, чем мы думаем. В конце концов, большинство наших данных основано на наблюдениях ярких галактик, которые проще разглядеть. Менее заметная материя может группироваться совсем иначе, делая крупномасштабные неоднородности обычным делом. Если это так, то пустота KBC — вовсе не исключение.
Но если наша пустота так же редка, как мы предполагаем сейчас, это меняет многое. За последние сто лет наука постоянно учила нас одному и тому же уроку: мы не уникальны. Земля — одна из многих планет у одной из миллиардов звезд в одной из миллиардов галактик, возможно, даже в одной из многих вселенных.
Открытие пустоты KBC указывает в прямо противоположную сторону. Оно делает нас особенными. Мы живем на дне космической бездны, в районе, который нарушает законы физики. И если вдуматься, мысль о том, что мы находимся в такой «дыре», звучит гораздо интереснее, чем кажется на первый взгляд.
-----
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