Сколько весит Вселенная и при чем тут новая физика
«Если это действительно намек на несостоятельность стандартной модели, то грядет настоящая революция», — говорит астроном Хендрик Хильдебрандт из Рурского университета в Бохуме (Германия).
Опасения относительно правильности стандартной модели вызывают два независимых расчетов так называемой постоянной Хаббла, или скорости, с которой Вселенная расширяется. Измерения просто не совпадают, создавая так называемое напряжение Хаббла.
Новое несоответствие, называемое напряжением сигма-восьмерки, включает измерение плотности вещества во вселенной и его концентраций (скоплений), а не равномерного распределения. Результат выводится в некий параметр, называемый сигма-восемь. Чтобы его вычислить, Хильдебрандт с коллегами обратился к эффекту, называемому слабым гравитационным линзированием, при котором свет от далеких галактик слегка отклоняется из-за гравитационного притяжения вещества, находящегося между галактиками и Землей.
Искажение настолько мало, что едва способно изменить форму отдельной галактики. Но если вы возьмете формы десятков тысяч галактик на одном клочке неба, то появится эфект слабой линзы. Средняя форма должна быть почти круглой, но благодаря легким искажениям она отклоняется к эллиптической.
Астрономы использовали такой эффект, чтобы оценить количество материи и ее распределение вдоль линий обзора. Проще говоря, исследователям удалось измерить плотность космического вещества.
Для этого потребовался еще один параметр — расстояние до каждой наблюдаемой галактики. Как правило, астрономы вычисляют его, находя спектральное красное смещение — величину, на которую свет галактики смещается в сторону более длинных волн красной стороны спектра. Все просто: чем больше красное смещение, тем дальше объект.
Но измерение отдельных спектральных смещений неэффективно при работе с миллионами галактик. Поэтому команда Хильдебрандта обратилась к так называемому фотометрическому красному смещению, при котором получают несколько изображений одного и того же участка неба на разных длинах волн, охватывающих оптический и ближний инфракрасный диапазоны.
Также ученые использовали изображения высокого разрешения сотен квадратных градусов неба (для сравнения, полная луна имеет ширину около половины градуса) в девяти диапазонах длин волн (четырех оптических и пяти ближних инфракрасных). Таким образом наблюдения включают в себя около 15 миллионов галактик.
Астрофизик и нобелевский лауреат Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса одобрил такой подход: «Их последние результаты поучены с помощью инфракрасных данных, которые, вероятно, лучше отслеживают массу линз и дают точные фотометрические красные смещения».
Теперь мы подошли к самому интересному. Используя полученные данные, астрономы оценили сигма-восьмерку. Значение, которое они получили, вступает в серьезное противоречие с сигмой-восьмеркой, рассчитанной с помощью наблюдений космического микроволнового фона (CMB) спутника «Планка» Европейского космического агентства — самого раннего наблюдаемого света во Вселенной, который появился приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва.
Согласно стандартной модели космологии, космос состоит из примерно 5 процентов обычной материи и 27 процентов темной материи, а также из 68 процентов темной энергии.
Но, согласно исследованию Хильдебрандта, сигма-восьмерка составляет около 0,74, тогда как данные Планка дают значение около 0,81. «Вероятность того, что это является статистическим отклонением, составляет около 1 процента», — говорит Хильдебрандт. Также возможна систематическая ошибка, скрывающаяся в тех или иных расчетах. Но расхождение в настоящее время считается статистически значимым.
Если разница оценки сигма-восьмерки (массы вселенной) увеличится до того же уровня, что и напряжение Хаббла (разница оценок размеров Вселенной, которая имеет значительные разночтения), переоценка стандартной модели космологии станет неизбежной.
Проще говоря, космологам понадобится новая физика, чтобы привести оценки «Планка» в соответствие с прямыми измерениями параметров Вселенной.
Исправления «новой физики» могут привести к изменению оценки количества и характера темной энергии или темной материи (или того и другого), а также к изменениям представлений об их взаимодействии и друг с другом, и с нормальной материей.