Переворот в космосе: что если за расширение Вселенной отвечает темная материя (а не энергия)? Это решит все «странности» космоса?

Представьте себе: вы смотрите на фейерверк. Сначала он вспыхивает ярко, потом осколки разлетаются, замедляясь. А теперь вообразите, что некоторые из этих осколков вдруг начинают ускоряться! Примерно такая же странность происходит с нашей Вселенной. Мы знаем, что она расширяется — это уже факт, почти как восход Солнца. Но вот скорость этого расширения, похоже, играет с нами в прятки.

Ученые, изучая реликтовое излучение — эхо Большого Взрыва, самый древний свет во Вселенной — получают одно значение скорости расширения. А когда они смотрят на более «молодые» и близкие к нам галактики, цифра получается другой, заметно большей. Эту нестыковку назвали «напряжением Хаббла» (Hubble tension), и это, честно говоря, головная боль для космологов. Ведь стандартная модель, которая так хорошо описывала Вселенную до сихпор, тут дает сбой.

Темные лошадки космологии: Что мы (не) знаем?

Чтобы понять суть новой идеи, нужно вспомнить о двух самых таинственных компонентах нашей Вселенной: темной материи и темной энергии.

• Темная материя: Это нечто, что мы не видим, оно не светится, не поглощает свет, но обладает гравитацией. Именно ее гравитационное влияние «склеивает» галактики и скопления галактик, не давая им разлететься. Без нее звезды на окраинах галактик двигались бы совсем не так, как мы наблюдаем. Мы знаем, что она есть, но из чего она состоит — одна из главных загадок.
• Темная энергия: Это еще более странная штука. Считается, что именно она ответственна за ускоренное расширение Вселенной. Она как бы расталкивает пространство, заставляя галактики удаляться друг от друга все быстрее и быстрее.

Долгое время считалось, что свойства темной материи и темной энергии более-менее постоянны. Но что, если это не так?

А что, если темная материя… меняется со временем?

Когда что-то не сходится в расчетах, ученые начинают выдвигать гипотезы. И каких только не было! Может, общая теория относительности Эйнштейна требует доработки на космических масштабах? Или темной материи вообще не существует, а это просто наши представления о гравитации неверны? А может, само время течет не так, как мы думаем? Даже идея о вращающейся Вселенной всплывала!

И вот на этом фоне появляется работа, авторы которой предлагают взглянуть на проблему под новым углом: а что, если эволюционирует не темная энергия (такие модели уже были), а сама темная материя? Звучит немного… неожиданно, правда?

Дело в том, что наблюдения темной материи, хоть и косвенные, довольно убедительны. Мы видим ее гравитационные «следы» повсюду. Единственная загвоздка — мы так и не поймали ни одной ее частицы. Большинство же скептиков темной материи всегда стремились ее вовсе «отменить», например, предлагая модифицированные теории гравитации. Идея же о том, что темная материя есть, но просто со временем меняет свои свойства, не так часто обсуждалась.

Танец частиц: Как может «осциллировать» темная материя?

Авторы новой работы, опубликованной на сервере препринтов arXiv (это такой научный архив, где исследователи делятся свежими результатами еще до официальной публикации в журналах), решили сравнить две возможности: эволюционирующую темную энергию при постоянной темной материи и, наоборот, эволюционирующую темную материю при постоянной темной энергии. И знаете что? Второй вариант, по их расчетам, лучше ложится на наблюдательные данные, включая то самое «напряжение Хаббла».

Как это может работать? Тут авторы вводят понятие «уравнения состояния» (УС) для темной материи. Если очень упростить, УС — это набор правил, описывающих, как вещество ведет себя при различных условиях (например, как меняется его давление при изменении плотности). Так вот, они предположили, что УС темной материи не постоянно, а осциллирует во времени. То есть, ее свойства как бы колеблются.

Это не такая уж и безумная мысль, как может показаться на первый взгляд. Возьмем, к примеру, нейтрино. Эти частицы обладают массой, почти не взаимодействуют со светом (поэтому их так трудно обнаружить) и считаются одним из кандидатов в «горячую» темную материю (то есть частицы, движущиеся с околосветовыми скоростями). И нейтрино известны тем, что испытывают так называемые осцилляции — они могут спонтанно превращаться из одного типа в другой. Возможно, и частицы «холодной» темной материи (основной тип, который мы ищем, движущийся медленнее) способны на нечто подобное, что и проявляется в колебаниях их уравнения состояния.

По расчетам авторов, наилучшее соответствие наблюдаемым данным достигается, если примерно 15% всей холодной темной материи во Вселенной обладает такими осциллирующими свойствами, а остальные 85% - это «стандартная», неизменная темная материя. Такая модель, с одной стороны, помогает объяснить расхождение в измерениях скорости расширения Вселенной, а с другой — не противоречит другим наблюдениям, указывающим на существование темной материи.

Ложка дегтя или луч надежды?

Важно понимать: пока это лишь «игрушечная модель», как говорят сами ученые. Это красивая концепция, которая показывает, как в принципе можно было бы решить проблему. Она еще не описывает конкретные свойства гипотетических частиц осциллирующей темной материи или механизмы этих осцилляций. Нужны дальнейшие исследования, чтобы понять, есть ли за этой идеей что-то реальное.

Тем не менее, это очень интересный поворот. Он открывает целое новое направление для размышлений о природе темной материи. Вместо того чтобы пытаться ее «отменить» или считать чем-то абсолютно неизменным, мы можем допустить, что она более динамична и сложна, чем мы думали.

Новая глава в поисках или просто красивая гипотеза?

Так что же, проблема «напряжения Хаббла» решена? Конечно, нет. Но появилась еще одна интригующая ниточка, за которую можно потянуть. Космология — это наука, где новые загадки появляются так же часто, как и ответы на старые. И каждая такая «странность», как расхождение в скорости расширения, — это не столько проблема, сколько шанс узнать о Вселенной что-то принципиально новое.

Возможно, идея эволюционирующей темной материи окажется просто красивой теоретической конструкцией. А может быть, именно она станет ключом к пониманию одной из самых больших загадок современной физики. В любом случае, скучно в космологии точно не будет! А мы будем держать руку на пульсе и следить за новостями с этого фронта. Ведь кто знает, какие еще сюрпризы готовит нам наша необъятная Вселенная?