Що, якби одне з найфундаментальніших припущень космології — що Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках — насправді не було б істинним? Використовуючи новий підхід з даними телескопа Евкліда, вчені шукають характерний сигнал у вигині світла від далеких галактик, який міг би переписати правила космології.
Спростування космічних припущень
«Космологічний принцип — це свого роду остаточне твердження про смирення», — каже Джеймс Адам, астрофізик із Західно-Капського університету в Південній Африці та провідний автор нового дослідження. Цей принцип стверджує, що ми не лише не знаходимося в центрі Всесвіту, а й взагалі не маємо центру. Він також припускає, що Всесвіт ізотропний, тобто він виглядає однаково в усіх напрямках, і однорідний, тобто матерія рівномірно розподілена у великих масштабах.
Ці ідеї формують основу Стандартної моделі космології, нашої найкращої основи для розуміння походження, структури та еволюції Всесвіту. Хоча ця модель підтверджується численними доказами, вона залишається в процесі розробки.
Однак, нещодавні спостереження свідчать про те, що на найбільших космічних масштабах можуть існувати ледь помітні нерівності — анізотропії. До них належать невідповідності у швидкості розширення Всесвіту, незвичайні закономірності в космічному мікрохвильовому фоні та інші незрозумілі дані. Хоча ці висновки й цікаві, вони ще не є остаточними. Вченим потрібно більше незалежних даних, щоб виключити помилки вимірювань. Якщо кілька методів виявлять однакові закономірності, це може сигналізувати про значний зсув у нашому розумінні космосу.
Тестування Всесвіту за допомогою Евкліда
Нове дослідження, опубліковане в журналі «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics» Джеймсом Адамом та його колегами, представляє новий метод перевірки того, чи є Всесвіт справді ізотропним, тобто однаковим у всіх напрямках. Їхній підхід використовує дані з передових інструментів, таких як Euclid, космічний телескоп Європейського космічного агентства (ESA), запущений у 2023 році. Euclid нещодавно почав отримувати надзвичайно деталізовані зображення космосу, пропонуючи безпрецедентне поєднання потужності, точності та роздільної здатності.
«Ми досліджували інший метод обмеження анізотропії, який включав так зване слабке гравітаційне лінзування», — каже Адам. Слабке лінзування виникає тому, що матерія між нами та далекою галактикою трохи заломлює світло галактики, змінюючи її видиму форму. Цей специфічний тип спотворення може показати, чи існують анізотропії у Всесвіті. Фактично, аналіз даних слабкого лінзування дозволяє вченим розділити сигнал на дві складові: зсув E-моди, який генерується розподілом матерії в ізотропному та однорідному Всесвіті, та зсув B-моди, який зазвичай дуже слабкий і не повинен проявлятися у великих масштабах в ізотропному Всесвіті.
Простого спостереження B-мод у великих масштабах було б недостатньо для підтвердження анізотропії, оскільки ці сигнали дуже слабкі та можуть бути результатом помилок вимірювання або вторинних ефектів. Якщо анізотропія реальна, вона впливатиме як на E-моди, так і на B-моди незалежним чином, створюючи кореляцію між цими двома сигналами. Тільки якщо дані Евкліда виявлять значну кореляцію між E- та B-модами, це дозволить припустити анізотропне розширення Всесвіту.
Наступні кроки та можливі наслідки
У своєму дослідженні Адам та його колеги змоделювали наслідки анізотропного розширення Всесвіту на комп’ютері та розробили модель, що описує, як відхилення від ізотропії змінюватимуть слабкий сигнал лінзування. Потім вони розрахували крос-кореляцію EB, щоб продемонструвати, що анізотропний Всесвіт створюватиме кореляцію між двома сигналами, та застосували свою модель до майбутніх даних Евкліда, показавши, що ці спостереження будуть достатньо точними для виявлення потенційної анізотропії.
Euclid вже починає надавати корисні дані для цих аналізів, і нові обсерваторії незабаром запрацюють. Тепер, коли вони розробили належну методологію, Адам та його колеги мають намір застосувати її до реальних даних. «Після того, як ви перевірите свою роботу чотири рази, вам доведеться серйозно подумати, чи це фундаментальне припущення насправді є істинним, особливо в пізньому Всесвіті. Або, можливо, воно просто ніколи не було істинним», – пояснює Адам.
Переосмислення космічного походження
Якщо ці аномалії будуть підтверджені, вони відкриють нову главу в космології. Однак це буде нелегко: вже існують альтернативні теоретичні моделі, які передбачають анізотропії, але жодна з них не є настільки ж переконливою чи широко визнаною, як Стандартна модель. Однак будь-який теоретичний перегляд також залежатиме від ступеня анізотропії, яку можна виявити, що залишається невизначеним. «Це може бути серйозний перегляд», – підсумовує Адам, – «або просто додавання невеликого члена тут чи там. Хто знає?»
Якщо ви хочете дізнатися більше…
Ми знаємо, що Всесвіт розширюється, і це може призвести до помилкового уявлення про наявність центру (де стався Великий вибух ), з якого виникло це розширення. Натомість нам слід думати про наш Всесвіт так, ніби це поверхня Землі: ми можемо рухатися в будь-якому напрямку, ніколи не досягаючи краю, але на поверхні немає центру. Якби Земля поводилася як повітряна куля, що надувається, ми б побачили, що простір на її поверхні розширюється, але на ній не було б конкретної точки, яку можна було б вважати центром розширення.
Згідно з Космологічним Принципом, у космічному просторі не лише немає центру чи привілейованого місця, але й сам простір має однорідні властивості скрізь, принаймні у досить великих масштабах. Ми знаємо, що існують порожнечі та щільні області, такі як галактики та простір між ними, але якщо ми зменшимо масштаб, як ми зменшуємо масштаб на смартфоні двома пальцями, ці неоднорідності зникають. Цей принцип лежить в основі теоретичної моделі, яку ми використовуємо сьогодні для пояснення походження, еволюції та сучасного стану Всесвіту. Він також дуже зручний, оскільки передбачає, що закони фізики застосовуються скрізь однаково, що значно спрощує наше розуміння космосу.
Слабке лінзування базується на принципі, описаному загальною теорією відносності, що гравітація може викривляти шлях світла. Чим більша маса небесного тіла, тим сильніше спотворення світла, що проходить поблизу нього. Галактики та інші об’єкти, розташовані за масивним гравітаційним полем, виглядають ледь помітно спотвореними, а їхня форма та орієнтація дещо змінені.
Цей ефект схожий на розгляд об’єкта через збільшувальне скло. Так само як вигнута поверхня лінзи викривляє та спотворює світло, змінюючи видиму форму та положення об’єктів позаду неї, гравітаційне поле масивної космічної структури викривляє та спотворює світло від далеких галактик. В результаті еліптична галактика може здаватися трохи стиснутою або повернутою.
Ретельно аналізуючи ці спотворення в мільярдах галактик, такі дослідження, як Euclid та LSST, можуть виявити слабке лінзування, розкриваючи наявність та розподіл невидимої матерії, включаючи темну матерію.