Протягом майже трьох десятиліть темна енергія вважалася найкращим поясненням того, чому Всесвіт розширюється дедалі швидше. Саме ця загадкова субстанція, яку ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав, стала ключовим елементом сучасної космологічної моделі. Однак нове дослідження американських математиків може змусити наукову спільноту переглянути усталені уявлення.
Дослідники з University of California, Davis опублікували роботу, в якій стверджують, що прискорене розширення Всесвіту може бути природним наслідком рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. У такому разі потреба в існуванні темної енергії може взагалі зникнути.
Проблема сучасної моделі Всесвіту
Сьогодні основою космології є так звана модель Lambda-CDM. Вона описує еволюцію Всесвіту після Великого вибуху та передбачає існування двох невидимих компонентів — темної матерії та темної енергії.
Саме темна енергія, згідно з цією теорією, відповідає за прискорення космічного розширення. Проте її природа залишається однією з найбільших загадок сучасної науки.
Автори нового дослідження вирішили перевірити математичну стійкість моделей, які лежать в основі цієї теорії. Для цього вони використали рівняння Ейнштейна—Ейлера, що поєднують загальну теорію відносності та гідродинаміку й широко застосовуються для опису галактик, чорних дір та еволюції космосу.
Аналогія з олівцем
Один із авторів роботи, професор математики Блейк Темпл, порівняв сучасну космологічну модель із олівцем, поставленим вертикально на вістря.
Теоретично такий олівець може перебувати в рівновазі, але будь-який найменший подих повітря миттєво виведе його з цього стану. Аналогічно, на думку дослідників, поводяться й математичні моделі, що описують розширення Всесвіту.
Розрахунки показали, що так звані простори Фрідмана — математична основа сучасної космології — є нестійкими як на дуже малих, так і на надзвичайно великих масштабах поблизу моменту Великого вибуху. За словами вчених, у фізиці нестійкі розв’язки зазвичай вважаються малоймовірними для реального Всесвіту.
Можливо, темна енергія не потрібна
Дослідники припускають, що саме ця нестійкість може природним чином породжувати прискорене розширення космосу без будь-якої додаткової «антигравітаційної» сили.
Цікаво, що ідея нагадує історію так званої космологічної сталої Ейнштейна. У 1915 році вчений ввів спеціальний член до своїх рівнянь, щоб отримати статичний Всесвіт. Однак після відкриття розширення Всесвіту астрономом Edwin Hubble ця поправка стала непотрібною, а сам Ейнштейн назвав її своєю «найбільшою помилкою».
Наприкінці ХХ століття космологічну сталу повернули до теорії, пов’язавши її з темною енергією. Саме на цьому припущенні побудовані сучасні моделі космосу.
Альтернативне пояснення прискорення
Команда Темпла шукала інші механізми, здатні пояснити спостережуване прискорення розширення Всесвіту.
Спочатку вчені розглядали можливість існування гігантської ударної хвилі, яка могла виникнути після Великого вибуху. Згодом вони звернули увагу на самоподібні розв’язки рівнянь Ейнштейна — математичні структури, що зберігають однакову форму на різних масштабах.
Використання такого підходу дозволило дослідникам провести повний аналіз стійкості моделей Фрідмана та дійти висновку, що вони природно схильні до відхилення від рівномірного розширення. Фактично це означає, що прискорення може виникати саме через властивості простору-часу, а не через дію невідомої форми енергії.
Виклик принципу Коперника
Нове дослідження також ставить під сумнів один із фундаментальних принципів астрономії — принцип Коперника, згідно з яким Земля не займає особливого місця у Всесвіті.
На думку авторів роботи, як сучасна модель із темною енергією, так і альтернативний сценарій із сферично симетричним Всесвітом передбачають існування певної «привілейованої» точки спостереження. Це означає, що питання про наше місце у космосі може виявитися складнішим, ніж вважалося раніше.
Чи означає це кінець темної енергії?
Поки що ні. Робота математиків не спростовує існування темної енергії безпосередньо, а лише демонструє, що нинішня космологічна модель може мати фундаментальні математичні проблеми.
Для підтвердження нової гіпотези потрібні додаткові теоретичні дослідження та астрономічні спостереження. Однак сама поява такого результату свідчить про те, що одна з найбільших загадок сучасної науки ще далека від остаточного розв’язання.
Якщо висновки дослідників підтвердяться, космологам доведеться переглянути уявлення про еволюцію Всесвіту та, можливо, відмовитися від концепції темної енергії, яка вже багато років вважається невід’ємною частиною картини світу.