Устройство Вселенной, ее происхождение и эволюция являются главными загадками космологии. Согласно Стандартной модели, описывающей формирование и эволюции Вселенной, после Большого взрыва космос представлял собой бурлящий плазменный бульон, который начал быстро расширяться благодаря невидимой силе – темной энергии. По мере расширения Вселенной, обычная материя, взаимодействующая со светом, сгущалась вокруг скоплений невидимой темной материи, образуя первые галактики, соединенные вместе обширной космической паутиной. По этой причине считается, что что обычная материя, темная материя и темная энергия составляют около 5%, 25% и 70% Вселенной соответственно. Однако результаты исследования, опубликованного в журнале Physical Review D, предполагают, что стандартная космологическая модель неверна, а космос менее уплотнен, чем полагали ученые.

Распределение материи во Вселенной ставит под сомнение ведущую космологическую модель

Проблемы стандартной космологической модели

Стандартная космологическая модель Вселенной – это история эволюции космоса, написанная языком математической физики. Она гласит, что все началось спустя долю секунды после Большого взрыва, а все, что происходило с тех самых пор можно проследить вплоть до текущего момента. В эту историю внесли вклад тысячи ученых, включая Альберта Эйнштейна.

Так, Общая теория относительности гласит, что космос – это непрерывно расширяющееся пространство-время, включающее в себя всю материю, энергию, а также элементарные частицы (представленные в Стандартной модели физики элементарных частиц). Центральный постулат классической космологической модели гласит, что Вселенная возникла как сверхгорячий, сверхплотный «бульон» из таких элементарных частиц, как кварки, электроны, фотоны и др.

Вселенная родилась около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением

С течением времени Стандартная модель получала все больше подтверждений, а обнаружение реликтового излучения – теплового излучения, оставшегося после Большого взрыва и равномерно заполняющего Вселенную – стало одним из важнейших ресурсов для космологов и помогло им расширить границы понимания космоса.

Реликтовое излучение, однако, привнесло целый ряд проблем и парадоксов в стандартную космологическую модель. Наиболее актуальной из них была однородность реликтового излучения, которое выглядело одинаково, куда бы астрономы ни направили свой взгляд. Это подразумевало, что условия в сильно удаленных друг от друга регионах ранней Вселенной были идентичными – то есть либо в ранней Вселенной произошло нечто необъяснимое, либо равномерность космического микроволнового фонового излучения имела более глубокое объяснение.

Рождение и расширение Вселенной – главные вопросы современной космологии

В поисках ответов физики пришли к теории инфляции, согласно которой Вселенная ускоренно расширялась в первые секунды после Большого взрыва. Эта идея впоследствии получила подтверждение и легла в основу стандартной космологической модели. Правда, к ней были добавлены еще два дополнения – во-первых, признание того, что во Вселенной больше материи, чем можно увидеть в телескопы, а во-вторых – существование гораздо большего количества таинственной невидимой материи.

Космология в темноте

В конечном итоге, отслеживая движение материи, излучающей свет, астрономы были вынуждены признать, что во Вселенной существует, по-видимому, гораздо больше невидимой или темной материи, не входящей в Стандартную модель физики элементарных частиц. И это было что-то новенькое. Дальнейшие наблюдения показали, что темная материя составляет около 85% массы во Вселенной.

Дальше, однако, все стало еще сложнее – изучая далекие сверхновые, астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Это означало, что весь космос должен быть полон невидимой формы энергии, и эта энергия раздвигает пространство. Эта энергия получила название «темная энергия» и, как считается, составляет 75% от общего энергетического бюджета Вселенной.

Темная материя и темная энергия не дают покоя ученым

Таким образом, инфляция, темная материя и темная энергия являются ключевыми игроками в современной космологической модели. Эту модель иногда называют инфляционной космологией, которую должен изучить и освоить каждый студент. Отметим также, что помимо успехов, классическая стандартная модель соответствует ключевым особенностям карт реликтового излучения и объясняет особенности, наблюдаемые в крупномасштабном распределении галактик.

Без сомнения, на сегодняшний день стандартная космологическая модель является триумфом научного процесса. И все же, она не лишена недостатков и регулярно подвергается пересмотру.

Кризис космологии

В 2023 году результаты исследования более чем 25 миллионов галактик выявили странное противоречие в том, как астрономы измеряют плотность Вселенной – это открытие, как утверждают его авторы, может угрожать стандартной модели, описывающей формирование и эволюцию Вселенной.

Расхождение, обнаруженное путем измерения искривления света мощными гравитационными полями далеких галактик, говорит о том, что космос менее уплотнен, чем считалось раньше. Если говорить проще, то новое открытие – это вызов, уступающий место так называемой «Новой физике» или совершенно иной модели Вселенной. Работа опубликована в журнале Physical Review D в конце декабря.

Возможно наше представление о Вселенной неверно

Мы по-прежнему проявляем достаточную осторожность и не говорим, что современная космологическая модель полностью неверна. Но поскольку члены астрономического сообщества приходят к одному и тому же выводу в ходе многочисленных экспериментов, ведущую космологическую модель, вероятно, придется пересмотерть, – говорится в заявлении Майкла Штрауса, заведующего кафедрой астрофизических наук Принстонского университета и одного из руководителей исследования.

Считается, что после Большого взрыва космос представлял собой бурлящий плазменный бульон, который начал быстро расширяться благодаря невидимой силе (темной энергии). По мере расширения Вселенной обычная материя, взаимодействующая со светом, сгущалась вокруг скоплений невидимой темной материи, образуя первые галактики, соединенные вместе обширной космической паутиной.

Тем не менее, с этой картиной возникает все больше проблем. Чтобы проверить имеющиеся модели, астрономы часто сравнивают прошлое Вселенной с настоящим. Их прошлые измерения основаны на реликтовом излучении, однако постоянная Хаббла — величина, которая отслеживает скорость расширения Вселенной (предсказанная с помощью реликтового излучения) – расходится с расчетами, основанными на данных изученных небесных объектов. Это несоответствие привело к современному кризису в космологии.

Сколько материи во Вселенной?

Новое расхождение относительно материи во Вселенной сосредоточено вокруг числа под названием S8, которое измеряет, сколько материи скапливается во Вселенной. Новые данные, полученные с помощью японского телескопа Subaru, изучающего силу искажения света из-за присутствия вещества в галактиках, позволил исследователям подтвердить мнение о том, что существует реальное расхождение между измерениями скопления в ранней Вселенной и тем, каким оно было 9 миллиардов лет назад.

Космос таит в себе слишком много секретов

Хотя проблема указывает на еще одну большую брешь в нашем понимании Вселенной, у космологов пока нет приемлемых теорий для замены стандартной космологической модели. Возможно, астрономы ошибаются относительно количества темной материи или того, как она собирается вместе. Нельзя также исключать, что темная энергия менялась на протяжении всего времени существования космоса – это объяснение, вероятно, может послужить решением как проблемы постоянной Хаббла, так и всей космологической модели.

Или, что самое интересное, результаты нового исследования могут означать, что стандартная модель нуждается в полном пересмотре. однако, чтобы узнать наверняка, ученым придется провести более точные измерения с помощью еще более мощных телескопов. Двумя такими претендентами являются обсерватория Веры Рубин в Чили и римский космический телескоп Нэнси Грейс, которые будут запущены в эксплуатацию в 2025 и 2027 годах соответственно. Но нас, так или иначе, ожидает немало интересных и удивительных открытий!