Кажется, темной энергии все-таки не существует: выяснилось, что Вселенная «ускоряется» только в одну сторону

В современной космологии концепция ускоренного расширения Вселенной считается общепринятой базовой теорией. К этому выводу физики пришли в 1998 году при анализе яркости далеких сверхновых звезд. Для математического описания этого процесса в уравнения Общей теории относительности ввели гипотетический фактор — темную энергию. Предполагается, что она равномерно распределяется по всему пространству, обладает отрицательным давлением и составляет примерно 68% от общей массы и энергии Вселенной.

Главным условием этой модели является космологический принцип. Согласно этому принципу, на больших расстояниях Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях. Это свойство называется изотропией. Если космологический принцип верен, то и скорость расширения пространства, и его ускорение должны быть одинаковыми в любой точке наблюдения.

Однако исследование международной группы ученых из Индии, Великобритании и Греции, опубликованное в научном журнале European Physical Journal C, доказывает, что ускорение Вселенной не является одинаковым во всех направлениях. Проанализировав наиболее точный каталог сверхновых звезд Pantheon+, исследователи обнаружили статистически подтвержденную асимметрию: в одном направлении пространства расширение кажется ускоряющимся, а в противоположном — замедляющимся. Это означает, что наблюдаемое ускорение может быть результатом локального движения нашей галактической системы, а не следствием существования темной энергии.

Как сверхновые звезды типа Ia используются для измерения расстояний

Чтобы определить, с какой скоростью расширяется Вселенная и как менялась эта скорость со временем, астрофизикам необходимо точно измерять расстояния до самых удаленных объектов и скорость их удаления.

Для решения этой задачи используются сверхновые звезды типа Ia. Они возникают при взрыве белых карликов в бинарных звездных системах, когда масса белого карлика достигает критического предела. Из-за физической однородности этого процесса все подобные взрывы имеют почти одинаковую абсолютную светимость — то есть выделяют одинаковое количество света.

Измерение параметров расширения происходит по следующей схеме:

1. Определение расстояния. Поскольку исходная яркость взрыва известна, ученые сравнивают ее с видимой яркостью сверхновой, зарегистрированной телескопами. Чем тусклее выглядит звезда, тем дальше она находится. Полученная величина называется светящимся расстоянием.
2. Определение скорости удаления. Из-за расширения пространства волны света, идущего от далекой звезды, растягиваются. Это сдвигает спектральные линии в сторону красного цвета. Данный эффект называется красным смещением (z). Чем выше значение z, тем быстрее объект удаляется от нас и тем дальше в прошлое мы смотрим.
3. Сопоставление данных. Сопоставляя светящееся расстояние и красное смещение для сотен сверхновых, астрофизики строят диаграмму Хаббла. Изгиб этой линии показывает, как менялась скорость расширения Вселенной с течением времени.

Для анализа ученые использовали каталог Pantheon+. Он содержит результаты наблюдений 1533 уникальных вспышек сверхновых типа Ia. Это самый большой и качественный набор данных, доступный исследователям на сегодняшний день.

Результаты анализа каталога Pantheon+

Группа исследователей под руководством Субира Саркара из Оксфордского университета и Кристоса Цагаса из Университета Аристотеля в Салониках провела повторную обработку данных каталога Pantheon+.

В отличие от предыдущих работ, где при расчетах заранее предполагалось, что Вселенная изотропна, авторы новой статьи применили метод максимального правдоподобия без жесткой привязки к модели изотропного пространства. Расчеты проводились в трех разных системах отсчета: относительно Солнца (гелиоцентрическая система), относительно центра масс нашей группы галактик и относительно реликтового излучения.

Во всех трех системах отсчета были зафиксированы два четких отклонения от стандартной модели:

1. Направленная асимметрия скорости расширения (диполь постоянной Хаббла)

Постоянная Хаббла (H0) показывает скорость расширения Вселенной на текущий момент. Анализ сверхновых в диапазоне красных смещений от 0,023 до 0,15 показал, что значение H0 меняется в зависимости от направления на небе. Разница между противоположными полусферами превышает 1,5 километра в секунду на мегапарсек. Это различие существенно больше, чем заявленная 1-процентная погрешность современных методов измерения постоянной Хаббла.

2. Направленная асимметрия ускорения (диполь параметра замедления)

Параметр замедления (q0) определяет изгиб диаграммы Хаббла. Если параметр q0 меньше нуля, расширение ускоряется, если больше нуля — замедляется. Исследование показало, что параметр q0 имеет четко выраженную дипольную структуру. В направлении движения нашей локальной группы галактик значение q0 указывает на ускоренное расширение, тогда как в противоположном направлении расширение выглядит замедляющимся.

Статистическая значимость обнаруженного диполя параметра замедления превысила уровень 5 сигма. В физике данный показатель означает, что вероятность случайной ошибки или флуктуации данных составляет менее 0,00003%. Данный вывод подтверждает, что асимметрия ускорения является реальным физическим фактором, содержащимся в наблюдательных данных.

Кроме того, авторы установили, что амплитуда этого диполя снижается по мере увеличения расстояния до сверхновых (при красном смещении z больше 0,1). Это затухание свидетельствует о том, что эффект ускорения имеет локальный характер и уменьшается по мере выхода за пределы нашего ближайшего космического окружения.

Физический механизм: эффект локального движения материи

Наблюдаемая асимметрия противоречит теории темной энергии. Космологическая постоянная Лямбда, определяющая темную энергию, является скалярной величиной и неизменным свойством вакуума. Она не может расталкивать пространство в одну сторону сильнее, чем в другую.

Для объяснения полученных данных авторы использовали уравнения Общей теории относительности, описывающие поведение света в неоднородной Вселенной.

Наша Галактика вместе с окружающими ее звездными системами находится внутри крупномасштабного когерентного потока материи. Этот поток представляет собой совместное движение галактик под действием гравитационного притяжения крупных сверхскоплений масс, таких как Великий Аттрактор и гигантское скопление Шепли. Протяженность этого течения составляет сотни мегапарсек.

В общей теории относительности наблюдатель, движущийся внутри такого потока материи, испытывает влияние градиентов скорости. Из-за того, что разные участки потока движутся с разной скоростью, возникают следующие эффекты:

• Свет, идущий от далеких сверхновых, подвергается дополнительному доплеровскому смещению, вызванному собственным движением наблюдателя и окружающих галактик.
• Это смещение искажает расчетное светящееся расстояние: объекты по ходу движения потока кажутся дальше и тусклее, чем они есть на самом деле, а объекты в противоположной стороне — ближе и ярче.
• При обработке данных без учета структуры этого потока чисто кинематический эффект смещения света интерпретируется как ускоренное расширение самого пространства.

Выходит, что отрицательное значение параметра замедления (q0 меньше нуля), которое ранее считали доказательством существования темной энергии, объясняется кинематическим искажением. Это искажение неизбежно возникает при наблюдении далеких объектов изнутри движущегося локального потока материи.

Методологическая причина ошибки предыдущих исследований

Результаты работы поднимают вопрос: почему анизотропия параметра замедления не была официально признана ранее, несмотря на то что подобные данные получали и в прошлых обзорах?

Авторы статьи указывают на системную ошибку в общепринятом методе предобработки астрономических данных.

При подготовке каталогов сверхновых астрономы всегда вносят коррекции в измеренные красные смещения. Эти поправки предназначены для перевода наблюдений из гелиоцентрической системы отсчета в систему отсчета реликтового излучения (космического микроволнового фона). При этом считается безусловным фактом, что диполь реликтового излучения вызван исключительно движением нашей Солнечной системы относительно абсолютно изотропной Вселенной.

Однако независимые тесты по подсчету количества далеких радиоисточников, квазаров и инфракрасных галактик (в частности, тест Эллиса — Болдуина) показали, что диполь в распределении далекой материи не совпадает с диполем реликтового излучения. Статистическая значимость этого расхождения также превышает уровень 5 сигма.

Это означает, что единой абсолютной системы отсчета, в которой и реликтовый фон, и далекие галактики выглядели бы строго изотропно, не существует.

Когда исследователи искусственно корректируют красные смещения сверхновых с помощью стандартных формул перехода к системе отсчета реликтового излучения, они принудительно сглаживают реальную физическую асимметрию. В результате этих вычислений реальный дипольный сигнал удаляется из данных еще до того, как начинается космологический анализ. Когда же анализ проводится по несглаженным первичным данным с применением метода максимального правдоподобия, дипольная асимметрия проявляется в полном объеме.

Значение открытия для фундаментальной физики

Если выводы группы исследователей подтвердятся дальнейшими наблюдениями, это приведет к пересмотру концептуальных основ космологии.

1. Отмена необходимости в темной энергии

Если наблюдаемое ускорение расширения Вселенной объясняется локальной кинематикой движущейся материи, необходимость во введении темной энергии или модифицированной гравитации отпадает. Измерения сверхновых перестают противоречить моделям, в которых глобальное ускорение пространства отсутствует.

2. Разрешение проблемы космологической постоянной

В теоретической физике существует фундаментальное противоречие между квантовой теорией поля и астрономическими наблюдениями. Квантовая теория предсказывает плотность энергии вакуума, которая на 120 порядков превышает значение космологической постоянной, выведенное из наблюдений за ускоренным расширением Вселенной. Если космологическая постоянная равна нулю, это снимает масштабное теоретическое противоречие.

3. Решение проблемы «напряжения Хаббла»

В современной астрономии существует серьезное разногласие между значением постоянной Хаббла, полученным по реликтовому излучению (около 67,4 км/с на мегапарсек), и значением, полученным по локальным сверхновым (около 73 км/с на мегапарсек). Учет дипольной анизотропии и локальных потоков галактик объясняет эту разницу локальными систематическими смещениями.

Предстоящие экспериментальные проверки

Для окончательного подтверждения или опровержения гипотезы о кинематической природе ускорения требуются более масштабные наборы наблюдательных данных, свободные от системных ошибок выборки.

В ближайшие годы необходимые данные будут получены с помощью новых астрономических проектов:

• Обсерватория Веры Рубин (LSST). Наземный телескоп в Чили начнет систематический обзор неба, в ходе которого будут зарегистрированы и измерены параметры сотен тысяч новых сверхновых типа Ia.
• Космический телескоп Euclid и инструмент DESI. Эти проекты создают трехмерную карту распределения десятков миллионов галактик, что позволит точно определить границы и скорость локального потока материи на расстояниях до нескольких гигапарсек.
• Каталог Union3. Новый объединенный массив данных по сверхновым, включающий более 2000 объектов, позволит провести независимую проверку расчетов группы Саркара с использованием обновленных алгоритмов стандартизации светящегося расстояния.

Если новые данные подтвердят, что параметры ускорения зависят от направления наблюдения и уменьшаются с расстоянием, концепция ускоряющейся Вселенной под воздействием темной энергии будет официально пересмотрена в пользу модели, учитывающей реальную неоднородность движения материи.

Источник: The European Physical Journal C