Вселенная оказалась на 306 миллионов лет моложе: как комковатая структура космоса объяснила поведение темной энергии

В современной астрофизике назрел кризис, затрагивающий самые основы нашего понимания мироздания. В центре этого кризиса находится фундаментальное противоречие, которое исследователи называют «хаббловским напряжением». Речь идет о невозможности согласовать между собой два основных метода измерения скорости расширения Вселенной.

Если рассчитать эту скорость, анализируя реликтовое излучение — электромагнитное эхо эпохи, наступившей через 380 тысяч лет после Большого взрыва, — получается значение около 67,5 километра в секунду на каждый мегапарсек пространства. Этот результат получен космической обсерваторией «Планк» в рамках стандартной космологической модели.

Однако если измерить ту же самую величину в современной Вселенной, наблюдая за относительно близкими астрономическими объектами — пульсирующими звездами цефеидами, вспышками сверхновых первого типа, гравитационными линзами и водяными мегамазерами, — скорость оказывается заметно выше: около 73-74 километров в секунду на мегапарсек.

Разница составляет примерно 9%. Для современной точной науки это непреодолимый разрыв. Статистическая значимость расхождения давно превысила порог 5 стандартных отклонений. Это означает, что вероятность списать разницу на случайную погрешность приборов составляет меньше 1 миллионной. Более 10 лет астрономы тщательно перепроверяли калибровку телескопов, но с каждым новым массивом данных конфликт только обострялся.

Чтобы спасти стандартную теорию, теоретики предлагали множество гипотез. В уравнения пытались ввести гипотетическую раннюю темную энергию, массивные неоткрытые частицы или экзотические модификации гравитации. Но у всех этих решений есть общий недостаток: они требуют введения произвольных параметров, которые исследователям приходится подбирать вручную исключительно ради спасения расчетов.

В исследовании физиков Джеки Давида Янга и Ханса-Отто Кармезина предложен принципиально иной путь. Авторы доказывают, что противоречие возникло не из-за ошибок в приборах и не из-за неизвестных элементарных частиц. Причина кроется в базовом упрощении, которое космология использовала целых 100 лет: в представлении о том, что Вселенная везде гладкая и однородная.

Если учесть реальное, комковатое распределение материи и применить к нему законы квантовой динамики объема, постоянная Хаббла естественным образом перестает быть застывшим числом, плотность темной энергии начинает закономерно расти по мере эволюции космоса, а расчетный возраст Вселенной уменьшается более чем на 300 миллионов лет.

Границы стандартной модели: почему пространство нельзя считать гладким

Краеугольным камнем современной космологии служит космологический принцип. Он утверждает, что в достаточно больших масштабах Вселенная строго однородна и изотропна. Иными словами, вещество распределено в ней с одинаковой средней плотностью, а физические свойства пространства не зависят от направления взгляда наблюдателя.

Это допущение приняли в 1920-х годах Александр Фридман и его последователи. Без него сложнейшие нелинейные уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна было невозможно решить аналитически. Упрощение позволило описать эволюцию Вселенной через единственный параметр — масштабный фактор, который показывает, как глобальная пространственная сетка растягивается с течением времени.

Однако реальная Вселенная далека от абстрактной математической гладкости. Гравитация не распределяет вещество равномерно. Напротив, она концентрирует его:

1. Первичное вещество под действием тяготения сжалось в компактные космические тела, звезды, галактики и исполинские скопления галактик.
2. Скопления выстроились в протяженные нити и плотные стены, сформировав так называемую крупномасштабную структуру Вселенной.
3. Между этими нитями образовались гигантские космические пустоты — войды, где плотность вещества чрезвычайно мала. Протяженность таких пустот достигает десятков и сотен миллионов световых лет.

В классической механике Ньютона сложное гравитационное воздействие множества тел можно упростить, заменив их единым общим центром масс. Но общая теория относительности устроена иначе. Это нелинейная геометрическая теория: распределение массы искривляет пространство-время, а искривленное пространство-время диктует материи, как именно ей двигаться.

Из-за этой нелинейности математическое усреднение искривленного пространства, в котором масса собрана в отдельные плотные узлы, принципиально не равно расчету искривления для гипотетической среды, где та же масса размазана тонким равномерным слоем.

В релятивистской физике этот эффект называют кинематической обратной реакцией структуры. Долгое время астрофизики считали, что этой реакцией можно пренебречь. Расчеты в рамках классической теории возмущений показывали, что взаимные гравитационные толчки от скоплений и пустот должны компенсировать друг друга на больших дистанциях. Янг и Кармезин продемонстрировали, что этот вывод неверен, поскольку он игнорирует квантовую структуру самого пространства.

Динамика объема: физическая природа пустоты

Концепция, которую развивают авторы исследования, получила название динамики объема. В ней пространство перестает быть пассивной геометрической сценой, на которой разворачиваются материальные события. Пространство рассматривается как физический ансамбль, состоящий из фундаментальных, неделимых порций объема.

Свойства этих элементарных порций авторы выводят из базовых принципов теории относительности и квантовой механики:

• Каждая фундаментальная порция объема несет в себе строго положительную энергию, которая физически проявляется как плотность энергии вакуума, или темная энергия.
• Порция объема не имеет массы покоя.
• Согласно законам релятивистской механики, любой объект с нулевой массой покоя и положительной энергией обязан двигаться с предельной скоростью — со скоростью света.

Здесь возникает фундаментальная физическая проблема, названная авторами парадоксом пространства. Если бы физическое пространство представляло собой единое непрерывное тело, несущее энергию и движущееся со скоростью света, у него существовало бы строго выделенное направление движения. Это мгновенно разрушило бы наблюдаемую изотропию космоса, ведь мы видим, что свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью.

Единственный способ разрешить этот парадокс — признать, что пространство состоит из колоссального статистического ансамбля неделимых порций объема. Скорость каждой отдельной порции равна скорости света, но векторы их движения распределены по всем направлениям абсолютно хаотично и равновероятно. В результате векторная сумма их скоростей дает строгий ноль, и макроскопическое пространство сохраняет наблюдаемую изотропию.

В присутствии массивных тел поведение этого ансамбля меняется. В соответствии с геометрией общей теории относительности вблизи любой массы радиальные пространственные расстояния растягиваются с точки зрения внешнего наблюдателя. Это растяжение означает, что рядом с тяжелым объектом физически возникает дополнительный объем пространства.

Авторы описывают этот процесс строгим уравнением переноса, связывающим изменение относительного объема во времени с его распространением в пространстве. Из этого базового уравнения движения объема исследователи математически выводят квантовое уравнение Шрёдингера, закон всемирного тяготения и релятивистские уравнения искривления пространства-времени.

Механика процесса: почему комковатость ускоряет расширение

Главный теоретический вывод работы заключается в разнице между средним значением гравитационного поля и средним значением его квадрата.

Скорость, с которой масса локально формирует дополнительный объем пространства, прямо пропорциональна напряженности создаваемого ею гравитационного поля. Когда мы усредняем напряженность тяготения по гигантским масштабам Вселенной, векторные величины направлены в противоположные стороны: галактики тянут пробную точку вправо, влево, вперед и назад с одинаковой вероятностью. Векторная сумма сил стремится к нулю, поэтому среднее гравитационное поле Вселенной действительно кажется исчезающе малым.

Однако интенсивность рождения нового объема зависит не от направления поля, а от плотности энергии этого поля. Плотность энергии гравитационного поля пропорциональна квадрату его напряженности.

При возведении в квадрат отрицательные знаки и пространственные направления исчезают. Любая флуктуация, отклоняющая поле от нуля в любую сторону, дает строго положительный квадрат. Следовательно, средний квадрат гравитационного поля в структурированной Вселенной никогда не равен нулю. Чем больше в пространстве контрастов плотности, тем выше средний квадрат гравитационного поля.

Поскольку фундаментальные порции объема неделимы и квантованы, рожденный ими объем не может исчезнуть при усреднении. Там, где вещество сжимается в плотные скопления и образует глубокие гравитационные потенциалы, темп локального образования новых квантов объема резко возрастает.

В ранней Вселенной вещество было распределено предельно гладко, поэтому гравитационные контрасты отсутствовали. Средний квадрат поля был минимален, и новое пространство формировалось с базовой, самой низкой скоростью.

Но по мере развития гравитационной неустойчивости материя разделялась на плотные нити и обширные пустоты. Локальные гравитационные градиенты возрастали, а вместе с ними непрерывно нарастала и средняя скорость генерации нового объема Вселенной.

Темная энергия как переменная величина

В стандартной модели темную энергию описывают космологической постоянной, плотность которой считается неизменной на протяжении всей истории космоса. В теории динамики объема темная энергия оказывается естественным следствием физического процесса рождения объема.

Для идеализированной гладкой среды авторы аналитически доказывают, что доля темной энергии в общем энергетическом бюджете строго равна 2/3 — то есть 66,7%.

Для эпохи реликтового излучения, когда к этому значению добавляется известный вклад первичного излучения и релятивистских частиц, теоретический расчет дает долю темной энергии около 68%. Это в точности соответствует числу, полученному космической обсерваторией «Планк» при анализе микроволнового фона: 67,9%.

Однако по мере снижения красного смещения — то есть по мере приближения к нашей эпохе — начинает сказываться фактор растущей неоднородности. Математическая функция, описывающая этот процесс, показывает, что влияние комковатости распределения вещества обратно пропорционально масштабу Вселенной в степени 5/2.

Это означает, что вклад неоднородности долгое время оставался пренебрежимо малым и начал стремительно нарастать только во второй половине жизни Вселенной, когда полностью сформировались галактические скопления и космические войды.

В результате доля темной энергии закономерно эволюционирует:

• В древнем, почти идеально однородном космосе эпохи реликтового излучения она составляла около 68%.
• В промежуточную эпоху, соответствующую среднему красному смещению около 1, плотность темной энергии возрастает примерно до 70%.
• В современной Вселенной, испещренной пустотами и скоплениями, эффективная плотность темной энергии достигает 73,5%.

Вместе с плотностью темной энергии непрерывно меняется и расчетный темп расширения пространства — постоянная Хаббла. В раннюю эпоху она составляла 66,9 километра в секунду на мегапарсек, а к настоящему моменту увеличилась до 73,6.

Это полностью снимает хаббловский кризис. Астрофизики, работавшие с реликтовым излучением, измерили подлинную начальную скорость расширения ранней гладкой Вселенной. А исследователи, наблюдавшие вспышки сверхновых и цефеиды в близких галактиках, зафиксировали современную суммарную скорость расширения, разогнанную гравитационной неоднородностью. Оба лагеря ученых получили точные результаты, но они измеряли скорость расширения на разных стадиях эволюции крупномасштабной структуры.

Согласие с данными наблюдательной астрономии

Теоретическая зависимость плотности темной энергии от времени, выведенная Кармезином и Янгом, была сопоставлена с независимыми измерениями, выполненными различными научными группами по всему миру:

1. Результаты спектроскопического прибора DESI. В недавних публикациях коллаборации спектроскопического прибора темной энергии (DESI), исследовавшей трехмерное распределение миллионов галактик и квазаров с помощью барионных акустических осцилляций, было заявлено о первом наблюдательном свидетельстве того, что темная энергия не является неизменной константой. Измеренная ими эффективная плотность темной энергии на среднем красном смещении 1,3 составила чуть более 70%, что совпадает с расчетом по модели динамики объема.

2. Рентгеновские обзоры скоплений галактик. Данные космической обсерватории «Спектр-РГ» и ее телескопа eROSITA по учету численности массивных скоплений галактик дают для промежуточных эпох эффективную долю темной энергии около 71%. Эта величина также точно ложится на теоретическую кривую немецких физиков.

3. Прямые проверки поведения скорости расширения. Ранее группы астрофизиков под руководством Кришнана и Дайнотти эмпирически разделили каталоги далеких сверхновых на слои по расстоянию и обнаружили устойчивую тенденцию: расчетное значение постоянной Хаббла постепенно падает по мере того, как мы смотрим во все более далекое прошлое. До сих пор этот нисходящий тренд считался непонятной аномалией данных. Модель динамики объема объясняет его: постоянная Хаббла обязана уменьшаться при движении в прошлое, поскольку ранняя Вселенная была значительно более однородной.

Новая хронология: почему космос моложе, чем считалось

Изменение представлений о скорости расширения неизбежно приводит к пересмотру фундаментальной временной шкалы истории Вселенной.

В рамках стандартной однородной модели возраст Вселенной вычисляется через математическое интегрирование темпа расширения назад во времени при постоянных значениях плотности компонентов. Это стандартное вычисление дает общепринятую цифру: 13,827 миллиарда лет.

Янг и Кармезин провели новое численное интегрирование истории расширения, подставив в расчет переменные функции темпа расширения и плотности темной энергии, изменяющиеся из-за роста неоднородностей.

Итоговый возраст реальной Вселенной составил 13,521 миллиарда лет (с неопределенностью от +355 до -338 миллионов лет).

Разница между стандартным и скорректированным значением составляет 306 миллионов лет.

Вселенная оказалась ощутимо моложе. Авторы работы формулируют этот эффект как глобальное замедление времени, порожденное неоднородностью структуры.

В однородной теоретической модели скорость расширения на поздних этапах ошибочно принималась постоянной и заниженной, из-за чего требовалось больше расчетного времени, чтобы пространство растянулось до своих нынешних масштабов. В структурированном космосе рождение дополнительного объема на поздних этапах происходило быстрее, поэтому наблюдаемый сегодня масштаб был достигнут за более короткий физический срок.

Этот вывод не вступает в противоречие с оценками возраста древнейших звезд нашей Галактики. В недавнем исследовании группы Томазетти возраст старейших субгигантов Млечного Пути установил нижний предел существования Вселенной на уровне 13,8 миллиарда лет с суммарной неопределенностью около 1,5 миллиарда лет. Значение в 13,5 миллиарда лет полностью укладывается в пределы допустимой погрешности ядерной астрохронометрии.

Аналитическое превосходство: отказ от ручной подгонки параметров

Главная ценность любой фундаментальной физической теории заключается в ее способности предсказывать свойства природы без использования подгоночных коэффициентов.

Стандартная космологическая модель содержит 6 независимых свободных параметров. Физики не способны вывести их из теории — эти числа определяются исключительно путем статистической подгонки компьютерных моделей под реальные наблюдения телескопов. При этом пространственная кривизна Вселенной просто объявляется строго нулевой на основе веры в гипотезу космической инфляции.

Подход, основанный на квантовой динамике объема, сокращает эту неопределенность в 2 раза, выводя параметры напрямую из физических законов:

1. Базовая доля темной энергии в невозмущенном пространстве математически рассчитывается как отношение 2/3.
2. Пространственная кривизна Вселенной строго равна нулю. Плоская геометрия пространства вытекает из геометрии квантов объема без необходимости привлекать гипотетические инфляционные сценарии для объяснения плоскостности мира.
3. Плотность материи определяется автоматически из глобального баланса сохранения энергии: она представляет собой остаток после вычитания долей темной энергии и излучения.

Наблюдательному измерению подлежат только современное опорное значение постоянной Хаббла, амплитуда первичных флуктуаций плотности и плотность фонового излучения. При этом сама постоянная Хаббла теряет статус неизменной мировой константы. Она оказывается аналогом календарной даты — координатой, которая просто фиксирует эпоху, в которую наблюдатели проводят измерения параметров расширяющейся Вселенной.

Новая оптика космологии

На протяжении последних 30 лет космология развивалась по пути непрерывного усложнения: при любом несовпадении наблюдательных данных с расчетами физики добавляли во Вселенную новые невидимые компоненты — темную материю различных сортов, поля квинтэссенции или сложные модификации уравнений тяготения.

Исследование Джеки Давида Янга и Ханса-Отто Кармезина предлагает более строгое и экономное решение. Оно показывает, что кризис хаббловского напряжения возник не из-за пробелов в физике микромира, а из-за грубого математического приближения в физике макромира.

Признание того, что реальное пространство квантовано, а материя распределена в нем неравномерно, устраняет фундаментальные противоречия между наблюдениями разных космических эпох. Оно объединяет релятивистскую гравитацию с квантовыми законами и доказывает: крупномасштабная архитектура Вселенной сама управляет рождением нового пространства и ходом космического времени.

Источник: arXiv