Спорное «напряжение Хаббла» обещает глубокое понимание, но, как и темная материя и темная энергия, может оставаться еще одной загадкой.
 |
| Космологи создали свою смутно определенную, поразительно точную стандартную модель, лямбда-холодную темную материю, путем анализа крошечных изменений температуры космического микроволнового фона, нанесенных на карту выше европейским космическим кораблем «Планк». (Фото: science.org) |
Открытое менее столетия назад расширение Вселенной заставляет галактики устремляться прочь от Земли, расширяя их свет до более длинных и красных длин волн. Это наблюдение породило идею большого взрыва и десятилетия споров по поводу скорости расширения Вселенной и постоянной Хаббла. После непродолжительного сближения космологи снова спорят. Работая от нашего космического окружения к более далеким галактикам, одна группа скорость, значительно превышающую ту, которую получили коллеги, изучающие самые даизмерила льние окраины космоса и послесвечение Большого взрыва, космический микроволновый фон (CMB).
Недавние наблюдения космического телескопа НАСА JWST подтвердили это несоответствие, или напряжение Хаббла, и шансы на то, что его можно объяснить как артефакт наблюдения, тают. Но есть и перспективы того, что эта головоломка имеет простое физическое решение, как показывает недавняя волна статей. Это может разрушить надежды на то, что решение проблемы Хаббла также поможет космологам уточнить их проблемную теорию строения и эволюции Вселенной.
«Нет никакой гарантии, что все это вызвано одним эффектом», — говорит Адам Рисс, космолог из Университета Джонса Хопкинса. Некоторые задаются вопросом, будет ли когда-нибудь объяснено напряжение Хаббла. «Я бы не поставила на это свой дом», — говорит Санни Ваньоцци, космолог из Университета Тренто.
Согласно преобладающей теории космологов , Вселенная содержит 5% обычной материи; 27% невидимой темной материи, гравитация которой удерживает галактики вместе ; и 68% темной энергии, которая растягивает пространство, как давление . Сразу после Большого взрыва Вселенная росла экспоненциально , значительно увеличивая крошечные квантовые флуктуации в густом супе фундаментальных частиц. Темная материя собиралась в плотных пятнах, а сотни миллионов лет спустя обычная материя оседала в сгустках темной материи, образуя галактики. По мере того как Вселенная истончалась, толчок темной энергии преодолел притяжение гравитации, так что после замедления расширение Вселенной теперь ускоряется .
Модель, получившая название «Лямбда-холодная темная материя» (Lambda-CDM), является расплывчатой. Предполагается, что темная энергия — это всего лишь свойство пустого пространства, называемое космологической постоянной, Лямбда, а темная материя — это просто холодная невидимая материя, отсюда и CDM. Но модель прекрасно соответствует космологическим данным, особенно данным реликтового излучения. Температура реликтового излучения незначительно варьируется по небу, предоставляя пятнистый снимок Вселенной в момент образования нейтральных атомов, через 380 000 лет после Большого взрыва. Теория всего с шестью параметрами, включая постоянную Хаббла, Lambda-CDM точно соответствует распределению размеров колебаний, измеренному европейским космическим кораблем «Планк», говорит Танви Карвал, космолог из Чикагского университета. «Это безумие, что это работает».
Однако подгонка дает значение постоянной Хаббла, которое противоречит значению, измеренному непосредственно. С 2009 года Рисс и его коллеги использовали различные телескопы для создания сложной «лестницы расстояний» расстояний и красных смещений близлежащих галактик. Ключевая ступенька опирается на наблюдения переменных звезд, называемых цефеидами. Каждый пульсирует со скоростью, которая показывает его внутреннюю яркость, позволяя наблюдателям определить расстояние до него по его видимой яркости на небе. JWST может обнаружить отдельные цефеиды в других галактиках, и его наблюдения подтверждают, что постоянная Хаббла на 8% выше, чем предсказывает Lambda-CDM, сообщили Рисс и его коллеги в сентябре.
Некоторые исследователи говорят, что они до сих пор не на 100% убеждены в реальности несоответствия. «Эта область действительно нуждается в чувствительном третьем способе измерения этого», — говорит Йоханнес Эскилт, космолог из Университета Осло. Другие предложили множество моделей, объясняющих это.
Одно из решений предполагает, что темная энергия не является космологической константой, а обусловлена какой-то новой физикой. Если это так, то его концентрация могла упасть или даже вырасти по мере эволюции космоса, что привело бы к истории расширения, которая могла бы начаться, как предсказывает Lambda-CDM, но закончиться на более высоком, непосредственно измеренном значении. Фактически, Рисс говорит, что начал свой проект в надежде найти именно такой эффект.
Другие данные опровергают эту идею. Звуковые волны, называемые барионными акустическими колебаниями (БАО), распространялись по молодой Вселенной, а реликтовое излучение фиксирует, как далеко они распространились до образования атомов. Эта длина также запечатлена в распределении галактик. Сравнение двух длин показывает историю расширения на полпути между Большим взрывом и настоящим моментом. В результате получается кривая, форма которой соответствует предсказанию Lambda-CDM, говорит Райан Кили, космолог из Калифорнийского университета в Мерседе. Это ограничение делает невозможным изменение истории расширения настолько, чтобы разрешить напряженность вокруг Хаббла, утверждали он и его коллега 15 сентября в Physical Review Letters ( PRL ). «Эти самые последние наборы данных BAO забили последний гвоздь» в гроб этого решения, — говорит Кили.
История двух измерений
Постоянная Хаббла H 0 — это скорость расширения Вселенной в настоящее время. Умножение этого значения на расстояние до галактики показывает, насколько быстро галактика удаляется от Земли. Прямые измерения константы дают более высокое значение, чем то, которое выводится из космического микроволнового фона и теории, называемой лямбда-холодная темная материя (Lambda-CDM).
Ответ должен лежать на более ранних этапах космической истории, говорит Марк Камионковски, космолог из Университета Джонса Хопкинса. «Мы вынуждены смотреть на ранние решения и относиться к ним более серьезно», — говорит он. Эти теории повышают скорость расширения до появления реликтового излучения, позволяя космосу развиваться так, как предсказывает Lambda-CDM, одновременно получая более высокую постоянную Хаббла сейчас. В 2016 году Карвал и Камионковски предположили, что новое квантовое поле, немного похожее на электрическое поле, возникло на короткое время через 100 000 лет после Большого взрыва и действовало как дополнительная «ранняя» темная энергия. Другие предположили, что дополнительный удар мог быть вызван первичными магнитными полями, взаимодействием нейтрино или даже изменениями массы электрона.
Хотя такие модели более перспективны, они также имеют проблемы, говорит Ваньоцци. Например, известно, что реликтовое излучение слегка смещается в синий цвет при прохождении через сгустки темной материи. Эффект станет сильнее, если молодая Вселенная будет расширяться быстрее. Чтобы избежать противоречивых наблюдений, ранние решения должны включать больше темной материи. Но дополнительная темная материя сделает зрелую Вселенную более комковатой, чем она есть на самом деле, говорит Ваньоцци.
Например, свет от далеких ярких галактик, называемых квазарами, не имеет никаких признаков комковатости, говорит Сэмюэл Гольдштейн, космолог из Колумбийского университета. Спектр квазара показывает заросли темных линий поглощения, известные как лес Лайман-альфа. Каждая линия отмечает облако водорода, лежащее вдоль луча зрения и поглощающее свет квазара. В статье, опубликованной в PRL , Гольдштейн и его коллеги сообщают, что облака сгущаются меньше, чем предсказывали ранние исследования темной энергии . «В итоге мы получили смехотворно жесткие ограничения на раннюю темную энергию».
Проблема комковатости является одной из причин, почему что-то вроде ранней темной энергии само по себе не решит проблему Хаббла, утверждает Ваньоцци. «Физика ранней Вселенной всегда будет давать сбои, и должно быть что-то еще», — говорит он. Карвал менее убежден. Вселенная уже менее комковатая, чем предсказывает Lambda-CDM, отмечает она, и ранняя темная энергия не усугубляет эту проблему. «Если вы хотите сказать, что Лайман-альфа исключает раннюю темную энергию, тогда это также исключает лямбда-CDM», — говорит она.
Наблюдения, которые могли бы помочь исследовать физику раннего времени, возможно, будет трудно найти. Например, квантовое поле, предложенное Карвалом и Камионковски, могло взаимодействовать с фотонами и оставить отпечаток пальца в том, как поляризованы микроволны реликтового излучения, говорит Эскилт. Он и его коллеги искали этот сигнал в данных Планка и не нашли его , сообщили 7 сентября в PRL .
Но есть более надежный способ обнаружить поле, говорит Камионковски. Это должно привести к тому, что сверхчеткие изображения реликтового излучения будут статистически отличаться от предсказаний Lambda-CDM при углах менее 0,2°. По словам Камионковски, будущие исследования реликтового излучения, такие как обсерватория Саймонса, строящаяся в Чили, и проект CMB-S4, предлагаемый для Южного полюса, должны иметь разрешение, позволяющее увидеть такие детали. «Через десять лет мы либо увидим раннюю темную энергию, либо больше не будем о ней говорить».
Большинство космологов все еще полагают, что противоречие с Хабблом будет разрешено. «Кто-то найдет какое-то решение», — говорит Гольдштейн. «Я не ожидаю, что через 100 лет люди все еще будут сосредоточены на напряженности вокруг Хаббла». Но Эскилт говорит, что само решение может быть столь же загадочным, как, скажем, темная материя. «Мы могли бы оказаться в том же положении, когда знаем, что существует источник ранней темной энергии, но понятия не имеем, что это такое».
No comments:
Post a Comment