70% нашей Вселенной не существует? Почему Вселенная не ускоряется и при чем тут Тёмная энергия

В конце двадцатого века физика столкнулась с открытием, которое полностью переписало наши представления о космосе. В 1998 году две независимые группы астрономов изучали далекие вспышки звезд и пришли к выводу: Вселенная не просто расширяется после Большого взрыва, она делает это со все возрастающей скоростью. Чтобы объяснить, какая сила расталкивает галактики, ученым пришлось ввести в физику новое понятие — Тёмную энергию. По современным оценкам, на ее долю приходится почти 70% от всей массы и энергии мироздания. За это открытие в 2011 году была присуждена Нобелевская премия, а гипотеза об ускоренном расширении стала основой современной космологии.

Однако международная группа физиков из Оксфордского университета и Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи опубликовала исследование, которое ставит под сомнение сам факт существования Тёмной энергии. Работа, принятая к публикации в научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, показывает: если правильно учесть эволюцию звезд и собственное движение нашей Галактики, то окажется, что Вселенная не разгоняется. Напротив, ее расширение постепенно замедляется под действием привычной гравитации.

Как астрономы измеряют космос

Чтобы понять, где именно могла закрасться ошибка, нужно разобраться, как ученые измеряют расстояния до далеких объектов. В обычной жизни мы оцениваем удаленность источника света по его видимой яркости: чем дальше объект, тем тусклее он выглядит. В астрономии этот принцип работает точно так же, но с одной важной оговоркой — исследователям нужно точно знать исходную мощность источника.

Для этого космологи используют так называемые термоядерные сверхновые типа Ia. Эти мощнейшие взрывы происходят в двойных звездных системах, где один из участников — белый карлик. Это плотный остаток умершей звезды, который постепенно перетягивает на себя вещество соседнего светила. Когда масса белого карлика достигает строго определенного физического предела (так называемого предела Чандрасекара, равного примерно 1,44 массы Солнца), звезда теряет устойчивость и мгновенно взрывается.

Поскольку масса взрывающегося объекта всегда одинакова, физики долгое время считали одинаковой и первоначальную яркость всех таких сверхновых. Они стали главным измерительным инструментом космологии.

Схема измерений выглядит следующим образом:

1. Астрономы регистрируют вспышку сверхновой в далекой галактике.
2. Сравнивают ее видимую яркость с теоретически рассчитанной исходной мощностью и вычисляют расстояние до нее.
3. Измеряют красное смещение — то, насколько сильно растянулась волна света по пути к Земле из-за расширения пространства. Этот параметр показывает скорость удаления галактики.
4. Сопоставляют расстояние и скорость, чтобы понять, как Вселенная расширялась в разные эпохи.

В 1998 году ученые обнаружили, что далекие сверхновые выглядят тусклее, чем должны были быть при обычных расчетах. Самым логичным объяснением тогда показалось то, что свету пришлось пройти большее расстояние, потому что в какой-то момент истории Вселенная начала расширяться быстрее. Так появилась необходимость в Тёмной энергии.

Главный изъян: звезды прошлого были другими

Фундаментальное допущение о том, что все сверхновые типа Ia коллапсируют с одинаковой яркостью, оставалось нетронутым более двадцати лет. Однако в нем не учитывался важный фактор: когда мы смотрим на объект, находящийся в нескольких миллиардах световых лет от Земли, мы видим его таким, каким он был миллиарды лет назад.

Свет от далеких галактик шел к нам сквозь время. А значит, мы наблюдаем Вселенную в эпоху ее молодости, когда состав и возраст звезд кардинально отличались от современных.

Серия недавних астрономических исследований под руководством южнокорейского астрофизика Ён-Ву Ли показала, что яркость сверхновой типа Ia напрямую зависит от возраста звезды-предшественника. Молодые звездные популяции дают при взрыве системно менее яркие вспышки, чем старые. С увеличением возраста звездного населения яркость взрыва постепенно растет.

Это создает систематическую ошибку измерений:

• В далеком прошлом галактики состояли из более молодых звезд.
• Вспыхивавшие там сверхновые изначально были тусклее, чем аналогичные взрывы в современных галактиках по соседству с нами.
• Не зная об этой особенностях, астрономы приняли естественную «слабость» древних вспышек за результат того, что объекты улетели слишком далеко.

Когда физики приписали разницу в яркости дополнительному расстоянию, возникла иллюзия того, что пространство между галактиками растягивается с ускорением. На самом же деле свет от далеких сверхновых был тусклым не потому, что Вселенная ускорялась, а потому, что сами вспышки древних звезд были физически менее мощными.

Локальный дрейф: мы не стоим на месте

Вторая проблема, на которую указывают авторы нового исследования, связана с движением самой Земли и нашей Галактики.

Классическая космология исходит из принципа, что Вселенная в крупных масштабах одинакова во всех направлениях и у нее нет выделенного центра. Чтобы измерить чистое расширение пространства, астрономы пытаются пересчитать все наблюдаемые скорости в так называемую «космическую систему отсчета», за которую принимают микроволновое фоновое излучение (эхо Большого взрыва).

Однако Млечный Путь не покоится на месте. Наша Галактика вместе со всем локальным скоплением мчится сквозь космос со скоростью около 600 километров в секунду по направлению к гигантскому скоплению массы.

Команда под руководством Субира Саркара из Оксфорда уже несколько лет доказывает, что стандартная процедура сброса скоростей на реликтовый фон содержит математическую ошибку. Распределение материи во Вселенной не является идеально равномерным. Из-за этого наше собственное движение создает направление, в котором расширение кажется быстрее, чем в других.

Анализируя данные о движении галактик, ученые выяснили, что эффект «ускорения» на самом деле наблюдается только в одном направлении — вдоль линии нашего собственного космического дрейфа. На больших расстояниях этот эффект затухает. Это означает, что наблюдаемое ускорение — не глобальное свойство всего мироздания, а локальное явление, вызванное неравномерным распределением массы в нашем районе космоса.

Что показал новый пересчет данных

В своей новой работе Анимеш Сах, Мохамед Рамиз и Субир Саркар объединили оба фактора: поправку на возраст звезд и учет локального движения Галактики. Они взяли Pantheon+ — самый полный и проверенный на сегодняшний день каталог, содержащий данные о более чем 1700 сверхновых типа Ia.

Исследователи применили математическое моделирование, чтобы очистить наблюдаемые данные от накопленных ошибок.

Результаты пересчета показали:

1. Эффект движения остался локальным. Учет движения нашей Галактики подтвердил, что асимметрия расширения действительно существует только поблизости от нас и исчезает на больших расстояниях.
2. Ускорение Вселенной исчезло. Как только в расчеты ввели коррекцию на возраст звезд-предшественников (поправка составляет примерно 0,03 звездной величины на каждый миллиард лет возраста), из математических уравнений полностью пропала компонента, отвечающая за общее ускорение Вселенной.

Главный показатель, описывающий динамику космоса — параметр замедления, изменил свой знак. В старых расчетах без учета возраста звезд этот параметр был отрицательным, что математически означало ускорение. После внесения всех необходимых физических поправок он стал положительным.

Положительное значение параметра замедления означает лишь одно: Вселенная расширяется, но скорость этого расширения со временем падает. Гравитационное притяжение всей материи в космосе постепенно тормозит разлет галактик, что полностью соответствует классической физике без привлечения гипотетической Тёмной энергии.

Почему научный мир не откажется от Тёмной энергии мгновенно

Публикация группы Саркара вызвала острую дискуссию в академических кругах. Концепция Тёмной энергии успела стать фундаментом, на котором построены сотни теоретических моделей, написаны учебники и запущены космические миссии.

Часть астрофизиков выступила с критикой новых результатов. Противники метода указывают, что если применить к галактикам еще один способ калибровки — по их общей массе, то зависимость яркости сверхновой от возраста звезд вроде бы сглаживается.

Однако авторы новой работы парируют эту критику. Они доказывают, что коррекция по массе галактик сама по себе опирается на допущение, что Тёмная энергия существует. Использование массы галактик для сглаживания данных создаёт логический круг: ученые используют параметры модели, которую пытаются проверить, для того чтобы подтвердить эту же модель.

Кроме того, в пользу выводов оксфордской группы говорят другие независимые наблюдения. Например, исследования распределения далеких квазаров и радиогалактик тоже показывают отклонения от стандартной модели: движение материи в космосе не совпадает с параметрами реликтового фона на уровне статистической значимости более пяти сигма. В современной космологии нарастает кризис расхождения данных, и отказ от концепции ускоренного расширения может стать самым простым способом этот кризис разрешить.

Физика становится проще

Если выводы группы Саркара подтвердятся дальнейшими наблюдениями, науку ждет крупнейшая ревизия представлений за последние десятилетия.

Парадоксально, но исчезновение Тёмной энергии не усложнит, а упростит физику. Дело в том, что Тёмная энергия всегда была крайне неудобным объектом для теоретиков. Когда физики-теоретики пытались рассчитать возможную плотность Тёмной энергии с помощью квантовой теории поля, их результаты расходились с реальными астрономическими наблюдениями в 10 в 120-й степени раз. Это расхождение считается крупнейшей ошибкой в истории теоретической физики.

Если Тёмной энергии нет, эта фундаментальная проблема исчезает сама собой. Вселенной больше не нужна таинственная сила, гипотетически рождающаяся из ниоткуда в пустом пространстве. Динамика космоса становится понятной и описывается стандартными уравнениями общей теории относительности Альберта Эйнштейна: импульс Большого взрыва толкает материю в стороны, а взаимное гравитационное притяжение звезд и галактик постепенно замедляет этот процесс.

В ближайшие годы астрономы получат огромный массив новых данных с вводящихся в строй телескопов нового поколения, включая наземную Обсерваторию Веры Рубин в Чили. Их высокоточные спектрометры смогут окончательно подтвердить, как именно яркость сверхновых зависит от возраста родительских звезд.

Возможно, уже в ближайшем будущем гипотеза о Тёмной энергии останется в истории науки лишь как пример того, как небольшая погрешность в калибровке приборов может на четверть века направить физику по ложному пути.

Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society