Трещина в основе космологии: новые данные намекают, что Вселенная может быть не однородной

Астрономы разработали новый способ проверки одного из центральных допущений современной космологии — того, что Вселенная ведёт себя однородно в самых больших масштабах. Применив метод к реальным наблюдательным данным, исследователи обнаружили предварительные признаки того, что это допущение может выполняться не полностью, что потенциально указывает на новую физику за пределами стандартной космологической модели.

Работа объединяет наблюдения за далёкими взрывающимися звёздами и крупномасштабные обзоры галактик, чтобы проверить, действительно ли Вселенная следует почти 100-летней математической структуре, известной как космология Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW). Анализ выявил умеренные, но интригующие отклонения от предсказаний стандартной модели.

«Мы увидели удивительное нарушение теста на непротиворечивость кривизны FLRW, что намекает на новую физику за пределами стандартной модели, — рассказала Live Science по электронной почте соавтор исследования Аста Хайнесен, физик из Института Нильса Бора в Копенгагене и Лондонского университета королевы Марии. — Это может быть связано с различными эффектами, но для выяснения причины наблюдаемого нами эмпирического нарушения FLRW потребуются дополнительные исследования».

Результаты были представлены в серии из трёх статей, в которых предлагаются новые диагностические тесты для космологии и применяются они к существующим наблюдательным наборам данных. Статьи, доступные на сервере препринтов arXiv, ещё не прошли рецензирование.

Проверка основ космологии

Современная космология построена на допущении, что при рассмотрении в достаточно больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, то есть материя распределена равномерно, и космос выглядит примерно одинаково во всех направлениях. Эта идея лежит в основе космологии FLRW, которая формирует базу для стандартной космологической модели, известной как лямбда-CDM (холодная тёмная материя).

Но реальная Вселенная содержит запутанную космическую паутину из галактик, скоплений галактик и огромных пустых областей, известных как войды. По словам Хайнесен, эта сложность означает, что описание FLRW может не всегда идеально подходить.

«Космология FLRW предполагает пространство-время с максимально симметричным пространством, — сказала Хайнесен. — Необходимо выходить за пределы пространств-времён FLRW, когда присутствуют космологические структуры, такие как скопления галактик и войды пустого пространства».

Исследователи сосредоточились на двух возможных эффектах, которые могут искажать видимую геометрию Вселенной. Первый — эффект Дайера — Рёдера, который возникает потому, что свет от далёких объектов часто проходит в основном через пустые области пространства, а не через среды, богатые материей. Это может привести к тому, что физики будут упускать из виду значительную часть плотности материи Вселенной, «что делало бы Вселенную для нас более пустой, чем она есть на самом деле», — объяснила Хайнесен.

Вторая возможность связана с эффектом, называемым космологической обратной реакцией. В этом сценарии рост крупномасштабных космических структур изменяет само среднее расширение пространства.

Новый способ исследования космической геометрии

Чтобы исследовать эти возможности, исследователи провели математические тесты на непротиворечивость, предназначенные для проверки того, подчиняются ли наблюдательные данные правилам, ожидаемым во Вселенной FLRW. В частности, они использовали варианты теста Кларксона — Бассетта — Лу — метода, который сравнивает измерения космических расстояний и темпов расширения.

Команда разработала более общую структуру, которая работает, даже когда Вселенная не идеально следует допущениям FLRW. Они также применили методы машинного обучения, известные как символьная регрессия, чтобы восстанавливать историю космического расширения непосредственно из наблюдательных данных. Вместо того чтобы предполагать заранее заданную космологическую модель, метод ищет математические выражения, которые наилучшим образом соответствуют данным.

Используя наблюдения из каталога сверхновых Pantheon+ вместе с измерениями прибора DESI (Тёмный энергетический спектроскопический инструмент) — крупного международного проекта, который составляет карту миллионов галактик по всей Вселенной, — исследователи восстановили, насколько быстро космос расширялся с течением времени. Они также использовали данные обзоров барионных акустических осцилляций, которые отслеживают древние паттерны в распределении галактик, оставленные звуковыми волнами, проходившими через горячую плазму ранней Вселенной.

Анализ выявил небольшие, но потенциально важные отклонения от предсказаний стандартной космологии FLRW. В зависимости от набора данных и метода анализа расхождение достигло статистической значимости около 2–4 сигма. В физике «сигма» измеряет вероятность того, что результат возник чисто случайно; обычно требуется результат в 5 сигма, прежде чем учёные заявят об открытии, так что новые выводы остаются предварительными. Тем не менее, результаты предполагают, что нечто неожиданное может влиять на геометрию или расширение Вселенной.

«Главный вывод заключается в том, что вы можете напрямую измерять эффекты Дайера-Рёдера и обратной реакции по имеющимся космологическим данным и чётко отличать эти эффекты от других изменений стандартной космологической модели, таких как эволюционирующая тёмная энергия и теории модифицированной гравитации, — сказала Хайнесен. — Раньше это было невозможно столь прямым способом, и именно это я считаю прорывом в нашей работе».

Однако исследователи предупреждают, что доказательства остаются предварительными. Текущие космологические данные всё ещё относительно скудны, особенно когда речь идёт об измерениях темпа расширения Вселенной в разные эпохи. Методы символьной регрессии также вносят неопределённости, требующие дальнейшего изучения.

В чём же заключается потенциальный переворот? Если отклонения подтвердятся, это не просто «поправка» к модели — это поставит под сомнение один из самых фундаментальных принципов, на которых физики строили картину мироздания почти столетие. Ведь модель FLRW — это не просто удобное приближение. На ней держатся расчёты возраста Вселенной, количества тёмной материи и тёмной энергии, интерпретация реликтового излучения и даже предсказание судьбы космоса. Если геометрия Вселенной на самом деле не так проста, как кажется, это может означать, что и загадочное ускоренное расширение (приписываемое тёмной энергии) объясняется не какой-то новой формой материи, а просто тем, что мы неверно учитываем распределение пустот и скоплений.

Более того, новый метод открывает возможность раз and навсегда различить разные теории. До сих пор астрономы часто оказывались в ситуации: есть несколько теорий (меняющаяся тёмная энергия, модифицированная гравитация, эффекты обратной реакции), но все они предсказывали почти одни и те же наблюдаемые величины. Теперь же, как подчёркивает Хайнесен, их подход позволяет напрямую выделить именно эффекты неоднородности. Это как если бы врачи научились отличать вирусную инфекцию от бактериальной не по общим симптомам (температура, кашель), а по прямому анализу — и тем самым выбирать правильное «лекарство» для宇宙.

Авторы статей подчёркивают, что улучшенные наблюдения с помощью будущих обзоров будут необходимы, чтобы определить, являются ли очевидные нарушения FLRW подлинными. «Если эти указанные отклонения от геометрии FLRW реальны, это будет означать, что большинство космологических решений, рассматриваемых для разрешения космологических напряжений (эволюционирующая или взаимодействующая тёмная энергия, новые типы материи или энергии, модифицированная гравитация и связанные с ними идеи в рамках FLRW), исключаются», — пишут исследователи.

Следующий шаг будет включать применение новой теоретической структуры к более крупным и точным наборам данных. И хорошая новость в том, что метод уже можно использовать с существующими астрономическими наблюдениями. Исследователи, возможно, скоро получат более точные ответы на вопрос, действительно ли Вселенная следует простой крупномасштабной картине, предполагаемой стандартной космологией, или скрытые сложности меняют наше понимание космической эволюции. Одно можно сказать наверняка: мы живём в захватывающее время, когда фундаментальные основы науки могут быть пересмотрены.