А с чего все решили, что Вселенная однородная? Найдено новое объяснение «хаббловскому напряжению»

Вся современная космология построена на одном математически удобном допущении. Оно гласит, что на сверхбольших масштабах пространство однородно и изотропно. Иными словами, если взять достаточно большой объем космоса, то материя и энергия в нем будут распределены равномерно, а сама Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях.

Математически это допущение описывается метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (коротко — FLRW). Эта метрика представляет собой основу Стандартной космологической модели. Именно уравнения FLRW физики используют, чтобы вычислять расстояния до далеких галактик, определять возраст Вселенной и рассчитывать количество темной материи и темной энергии.

Однако сегодня данные, полученные разными методами телескопических наблюдений, перестали совпадать. Самый известный пример — так называемое «хаббловское напряжение». Когда ученые измеряют скорость расширения Вселенной по реликтовому излучению (которое отражает состояние ранней Вселенной), они получают одно значение. Когда они измеряют ту же скорость по движению современных галактик и сверхновых, значение оказывается совершенно другим. Погрешность приборов исключена, потому что оба метода работают предельно точно.

Пытаясь решить эту проблему, теоретики вводят новые физические концепции. Они предполагают, что в прошлом существовала неизвестная форма ранней темной энергии, или что темная материя со временем распадается. Но при этом они сохраняют главное — базовую геометрию FLRW.

Группа исследователей (Аста Хайнесен, Тимоти Клифтон и Сонни Коксбанг) опубликовала серию научных работ, в которых они предлагают совершенно иной подход. Их расчеты показывают, что физике следует искать ошибку не в составе Вселенной, а в самом математическом фундаменте, на котором строятся все вычисления.

Механика структурных искажений: как движется свет

Начать следует с того, как свет от далеких объектов добирается до наших телескопов, и как этот процесс описывается в теории.

Согласно уравнениям FLRW, свет движется через пространство, в котором материя распределена в виде равномерной среды. Расчеты дистанций и скорости расширения напрямую зависят от плотности этой идеализированной среды.

В действительности материя во Вселенной распределена крайне неравномерно. Галактики объединяются в плотные скопления и выстраиваются в длинные нити, между которыми пролегают огромные пустые пространства — войды. Свет, испущенный далекой сверхновой звездой миллионы лет назад, почти весь свой путь преодолевает именно через эти пустоты.

Этот процесс описывается так называемым эффектом Дайера — Рёдера. Поскольку световой пучок проходит через области, где материи значительно меньше среднего расчетного значения, гравитационное воздействие на этот свет оказывается иным. Из-за этого оптические свойства пространства меняются: объекты кажутся нам менее яркими и находятся визуально на другом расстоянии, чем должны были бы находиться согласно строгой геометрии FLRW.

Кроме того, существует проблема космологической обратной реакции. Локальные концентрации материи (галактики и их скопления) обладают мощной гравитацией, которая искривляет пространство локально. Возникает сложный вопрос: если сложить все эти локальные искривления, не повлияют ли они на то, как расширяется Вселенная в целом? Стандартная модель предполагает, что эти искажения взаимно компенсируются и ими можно пренебречь. Новые исследования показывают, что это пренебрежение может быть причиной ошибочных расчетов.

Математика тестирования пространства

Ранее физики уже пытались проверить, насколько реальная Вселенная соответствует модели FLRW. Для этого использовались так называемые «нуль-тесты» — в частности, тест Кларксона — Бассета — Лу.

Суть теста заключалась в том, что берется определенная математическая комбинация двух параметров: углового расстояния до объекта и скорости расширения Вселенной на этом расстоянии. Если метрика FLRW верна, то результат вычислений при любой дистанции должен быть строго равен константе (или нулю). Если результат отличается от нуля, это означает, что базовая геометрия нарушена.

Проблема старых тестов состояла в их неинформативности. Если тест показывал отклонение, физики не могли сказать, почему именно оно произошло.

Хайнесен и ее коллеги вывели новые математические соотношения, которые работают для любого пространства-времени, независимо от того, однородно оно или нет. Теперь, если результат теста отклоняется от ожидаемого нуля, новое уравнение четко показывает, из чего состоит это отклонение. Оно раскладывается на измеримые физические процессы: оптическое расширение пучка света, влияние локальной кривизны и сдвиг лучей из-за неравномерной гравитации.

Помимо этого, авторы разработали новый параметр тестирования, который обозначается как M. Эта величина позволяет ученым вычислять реальную плотность космического вещества напрямую из данных телескопов, вообще не обращаясь к уравнениям Фридмана, на которых базируется Стандартная модель.

Алгоритмический анализ без предварительных условий

Наличия точных теоретических формул мало. Для проверки гипотезы необходимо применить эти формулы к реальным астрономическим наблюдениям. Исследователи использовали данные каталога сверхновых (Pantheon+) и информацию о распределении галактик из современных обзоров (DESI и BOSS).

Сложность заключается в обработке этих данных. В астрономии всегда присутствует технический шум и погрешности измерений. Традиционно физики используют статистические методы (например, гауссовские процессы), чтобы сгладить этот шум и построить непрерывные графики. Но у таких методов есть большой недостаток: алгоритмы изначально запрограммированы на поиск гладких, постепенных изменений. Таким образом, традиционная статистика искусственно заставляет данные выглядеть так, будто они подчиняются однородной метрике FLRW. Возникает замкнутый круг.

Чтобы разорвать его, авторы работы применили метод машинного обучения, называемый символьной регрессией.

Символьная регрессия кардинально отличается от нейросетей или классической статистики. Алгоритм не пытается подогнать данные под заданный шаблон. Вместо этого он берет базовые математические операции (сложение, вычитание, деление, экспоненты) и начинает самостоятельно конструировать из них уравнения. Программа генерирует миллионы вариантов математических формул, проверяя, какая из них точнее всего описывает распределение данных телескопов.

В результате ученые получают готовое аналитическое уравнение, описывающее поведение Вселенной. При этом алгоритм штрафуется за излишнюю сложность формул, чтобы исключить подгонку под технический шум приборов. Для проверки надежности результатов использовался метод бутстрэппинга: искусственный интеллект многократно обучали на различных подвыборках данных. Если алгоритм раз за разом выводил одну и ту же формулу, это подтверждало, что найдена реальная физическая закономерность.

Значение для будущей физики

Результаты анализа показали заметное отклонение наблюдаемой Вселенной от идеальной геометрии FLRW. В зависимости от строгости применяемых критериев к алгоритму, статистическая значимость этого отклонения составила от 2σ до 4σ.

В научной практике уровень 4σ означает, что вероятность случайного совпадения или ошибки крайне мала (менее одной десятой процента). И хотя для безоговорочного признания открытия физике традиционно требуется уровень 5σ, зафиксированное расхождение является веским сигналом для всей космологии.

Если Вселенная действительно не подчиняется геометрии FLRW на больших расстояниях, это автоматически лишает смысла большинство современных теорий, созданных для решения проблемы «хаббловского напряжения». Попытки ввести новые параметры темной энергии или модифицировать гравитацию базируются на том, что базовые уравнения пространства верны.

Расчеты Хайнесен, Клифтона и Коксбанга указывают на более простое и эффективное решение кризиса. Несоответствия в измерениях скорости расширения Вселенной могут быть вызваны не тем, что мы не понимаем законы физики или состав космоса. Они могут быть следствием того, что мы используем слишком простую математическую модель для описания сложного пространства, где свет вынужден преодолевать гигантские гравитационные перепады между плотными скоплениями материи и пустотами.

В ближайшие годы в строй будут введены новые космологические обсерватории с наилучшим достижимым на сегодняшний день разрешением. Ожидается кратный рост объема и точности данных. Разработанный исследователями аналитический и алгоритмический аппарат предоставит возможность напрямую измерить реальную геометрию Вселенной, окончательно подтвердив или опровергнув самую старую догму современной астрофизики.