Вселенная расширяется с ускоряющейся скоростью, возможно, движимая темной энергией. Однако напряженность Хаббла, расхождение в измерениях скорости расширения, бросает вызов современным моделям и стимулирует текущие исследования в поисках объяснений.
Астрономы десятилетиями знали, что Вселенная расширяется. Когда ученые используют телескопы для наблюдения за далекими галактиками, они видят, что эти галактики удаляются от Земли.
По мнению астрономов, длина волны света, излучаемого галактикой, тем больше, чем быстрее галактика удаляется от нас. Чем дальше от нас галактика, тем больше ее свет смещен в сторону более длинных волн на красной стороне спектра – таким образом, тем выше “красное смещение”.
Время и расстояние во Вселенной
Поскольку скорость света конечна, быстра, но не бесконечно, видеть что-то вдалеке означает, что мы смотрим на предмет так, как он выглядел в прошлом. С помощью далеких галактик с высоким красным смещением мы видим галактику, когда Вселенная была в более молодом состоянии. Итак, “высокое красное смещение” соответствует ранним временам существования Вселенной, а “низкое красное смещение” соответствует поздним временам существования Вселенной.
Но по мере того, как астрономы изучали эти расстояния, они узнали, что Вселенная не просто расширяется – скорость ее расширения ускоряется. И скорость этого расширения даже выше, чем предсказывает ведущая теория, что ставит космологов вроде меня в тупик и заставляет искать новые объяснения.
Ускоряющееся расширение и темная энергия
Ученые называют источником этого ускорения темную энергию. Мы не совсем уверены, что движет темной энергией или как она работает, но мы думаем, что ее поведение можно объяснить космологической постоянной, которая является свойством пространства-времени, способствующим расширению Вселенной.
Первоначально эту константу придумал Альберт Эйнштейн – он обозначил ее лямбдой в своей общей теории относительности. При наличии космологической постоянной по мере расширения Вселенной плотность энергии космологической постоянной остается неизменной.
Представьте коробку, полную частиц. Если объем коробки увеличится, плотность частиц уменьшится по мере того, как они будут распространяться, занимая все пространство в коробке. Теперь представьте себе ту же коробку, но по мере увеличения объема плотность частиц остается прежней.
Это не кажется интуитивным, не так ли? То, что плотность энергии космологической постоянной не уменьшается по мере расширения Вселенной, конечно, очень странно, но это свойство помогает объяснить ускоряющуюся Вселенную.
Лямбда-CDM: Стандартная модель космологии
Прямо сейчас ведущая теория, или стандартная модель, космологии называется “Лямбда CDM”. Лямбда обозначает космологическую постоянную, описывающую темную энергию, а CDM означает холодную темную материю. Эта модель описывает как ускорение Вселенной на ее поздних стадиях, так и скорость расширения в первые дни ее существования.
В частности, Лямбда-CDM объясняет наблюдения космического микроволнового фона, который представляет собой послесвечение микроволнового излучения того времени, когда вселенная находилась в “горячем, плотном состоянии” примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. Наблюдения с использованием спутника Планка, который измеряет космический микроволновый фон, привели ученых к созданию модели Lambda CDM.
Подгонка модели Lambda CDM к космическому микроволновому фону позволяет физикам предсказать значение постоянной Хаббла, которая на самом деле является не константой, а измерением, описывающим текущую скорость расширения Вселенной.
Но модель лямбда-CDM не идеальна. Скорость расширения, рассчитанная учеными путем измерения расстояний до галактик, и скорость расширения, описанная в Lambda CDM с использованием наблюдений космического микроволнового фона, не совпадают. Астрофизики называют это разногласие напряжением Хаббла.
В течение последних нескольких лет я искал способы объяснить это напряжение Хаббла. Напряженность может указывать на то, что модель лямбда-CDM неполна и физикам следует модифицировать свою модель, или это может указывать на то, что исследователям пора выдвигать новые идеи о том, как устроена Вселенная. А новые идеи – это всегда самое интересное для физика.
Один из способов объяснить напряженность Хаббла – это модифицировать модель лямбда-CDM путем изменения скорости расширения при малом красном смещении, в поздние периоды времени во Вселенной. Подобная модификация модели может помочь физикам предсказать, какие физические явления могут вызывать напряжение Хаббла.
Например, возможно, темная энергия – это не космологическая постоянная, а результат работы гравитации по-новому. Если бы это было так, то темная энергия эволюционировала бы по мере расширения Вселенной – и космический микроволновый фон, который показывает, как выглядела Вселенная всего через несколько лет после ее создания, дал бы другое предсказание для постоянной Хаббла.
Но последнее исследование моей команды показало, что физики не могут объяснить напряженность Хаббла просто изменением скорости расширения в поздней Вселенной – весь этот класс решений не подходит.
Изучение новых моделей
Чтобы изучить, какие типы решений могли бы объяснить напряженность Хаббла, мы разработали статистические инструменты, которые позволили нам проверить жизнеспособность целого класса моделей, изменяющих скорость расширения в поздней Вселенной. Эти статистические инструменты очень гибкие, и мы использовали их для сопоставления или имитации различных моделей, которые потенциально могли бы соответствовать наблюдениям за скоростью расширения Вселенной и могли бы предложить решение проблемы напряженности Хаббла.
Модели, которые мы тестировали, включают эволюционирующие модели темной энергии, где темная энергия действует по-разному в разные моменты времени во Вселенной. Мы также протестировали модели взаимодействия темной энергии и темной материи, где темная энергия взаимодействует с темной материей, и модифицированные модели гравитации, где гравитация действует по-разному в разные моменты времени во Вселенной.
Но ни одно из них не могло полностью объяснить напряжение Хаббла. Эти результаты предполагают, что физики должны изучать раннюю Вселенную, чтобы понять источник напряжения.
