Почему Вселенная несется нам навстречу в 4 раза быстрее, чем должна? Расхождение данных 5.4 сигма и кризис ΛCDM

Астрофизики обнаружили серьезную аномалию в распределении далеких галактик. Согласно новому исследованию, наша Солнечная система движется сквозь Вселенную совсем не так, как предсказывает теория, либо сама структура космоса устроена сложнее, чем мы привыкли думать. Расхождение данных достигло уровня 5.4 сигма — в физике это золотой стандарт научного открытия.

В фундаменте современной космологии лежит Космологический принцип. Его идея простая: в больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Куда бы мы ни посмотрели, материя распределена примерно одинаково, и в космосе нет особенно выделенных направлений или центров.

Группа ученых под руководством Лукаса Бёме из Университета Билефельда провела анализ радиоисточников и выяснила что Вселенная в радиодиапазоне выглядит гораздо более перекошенной, чем должна быть согласно данным реликтового излучения.

Эффект лобового стекла

Вообразим поездку на машине в дождь. Даже если дождь падает вертикально, из-за нашего движения переднее стекло будет мокнуть сильнее, чем заднее. В космосе происходит примерно то же самое.

Земля, Солнце и вся наша Галактика летят сквозь пространство. Главным ориентиром при этом служит реликтовое излучение (CMB) — остывшее эхо Большого взрыва. Из-за нашего движения температура CMB кажется чуть выше в направлении движения (созвездие Льва) и чуть ниже в противоположном. Исходя из этого температурного диполя, мы вычислили нашу скорость: около 370 км/с.

Логично, что этот эффект должен наблюдаться не только в реликтовом излучении, но и при подсчете галактик. Если мы летим вперед, то навстречу нам должно попадаться больше галактик, и они должны казаться ярче. Это называется кинематическим диполем.

Получается, что данные по радиогалактикам и квазарам должны совпадать с данными реликтового излучения. Но они не совпадают.

Проблема «шумных» данных

Ранее астрономы уже замечали, что радиогалактик по курсу нашего движения подозрительно много — больше, чем должно быть при скорости 370 км/с. Однако предыдущие измерения были сделаны с высокими погрешностями.

Главная сложность подсчета радиоисточников — их природа. В оптическом телескопе звезда — это точка. В радиотелескопе далекая галактика может выглядеть как сложная клякса с «ушами» (джетами), распадающаяся на несколько компонентов. Стандартная статистика (распределение Пуассона), которая хорошо работает для простых объектов, здесь работать перестает. Она предполагает, что события независимы друг от друга, но компоненты одной галактики явно связаны. Это явление называют сверхдисперсией.

В новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, команда Бёме применила новый подход. Вместо классической пуассоновской статистики они использовали отрицательное биномиальное распределение в рамках байесовского анализа. Простыми словами: они создали математическую модель, которая умеет отличать реальное скопление разных галактик от сложной структуры одного объекта и учитывает кластеризацию материи.

5.4 сигма: игнорировать невозможно

Ученые объединили данные трех самых крупных обзоров неба:

1. NVSS (NRAO VLA Sky Survey) — классический обзор северного неба.
2. RACS-low — обзор южного неба австралийским телескопом ASKAP.
3. LoTSS-DR2 — глубочайший низкочастотный обзор сети LOFAR.

Результат оказался неожиданным. Направление движения совпадает с предсказаниями реликтового излучения (мы действительно летим в сторону созвездия Льва), но амплитуда эффекта в 3,67 раза выше ожидаемой.

Статистическая значимость этого расхождения составляет 5.4σ. В физике элементарных частиц и астрофизике порог в 5 сигма считается границей, отделяющей возможную случайность от подтвержденного обнаружения нового эффекта. Вероятность того, что такой результат получен случайно из-за шума в данных, ничтожно мала.

Что это значит для физики?

Если реликтовое излучение говорит нам, что мы движемся со скоростью 370 км/с, а радиогалактики ведут себя так, будто мы несемся со скоростью более 1000 км/с (или что их плотность впереди реально выше по другим причинам), значит, мы чего-то не понимаем.

Авторы исследования и независимые эксперты выдвигают несколько гипотез:

1. Существование гигантских структур. Возможно, наша локальная группа галактик участвует в объемном потоке материи, который простирается на гораздо большие расстояния, чем предсказывает стандартная модель ΛCDM. Мы можем находиться внутри огромной области разрежения или притяжения, масштабы которой выходят за рамки нынешних карт.
2. Неучтенная физика. Может существовать «диполь кластеризации» — реальная физическая асимметрия в распределении материи во Вселенной, которая накладывается на наш кинематический эффект.
3. Кризис Космологического принципа. Самый радикальный вариант предполагает, что Вселенная на самом деле не изотропна. Возможно, свойства пространства или распределения материи меняются в зависимости от направления на масштабах всего космоса.

Почему это не ошибка приборов?

Скептики могли бы списать результат на калибровку телескопов. Однако в исследовании использовались данные с совершенно разных инструментов, работающих на разных частотах (от 144 МГц до 1400 МГц) и покрывающих разные полушария Земли. Систематические ошибки одного телескопа не могли бы повториться на другом с такой точностью. Более того, ученые провели тщательную маскировку Млечного Пути и других помех, чтобы исключить влияние нашей собственной Галактики.

Взгляд в будущее

Стандартная модель космологии (ΛCDM) успешно объясняет почти всё: от состава ранней Вселенной до формирования галактик. Но подобные несостыковки — как, например, напряжение Хаббла (несовпадение скоростей расширения Вселенной) и теперь этот радиодиполь — намекают, что модель неполная.

Ввод в строй гигантского радиоинтерферометра SKA (Square Kilometre Array) и новые релизы данных LOFAR позволят увеличить точность измерений. Но уже сейчас понятно: что-то мы точно упускаем из виду.

Источник: Physical Review Letters