Нові дані натякають, що модель Всесвіту застаріла

Всесвіт — місце дивовижне і, щиро кажучи, досить дивне. Ми начебто звикли до картини світу, де зірки та галактики розлітаються одна від одної, причому роблять це все швидше. Винуватцем цього космічного прискорення довгий час вважалася загадкова «темна енергія» — постійна сила, рівномірно розлита по всьому простору, такий собі антигравітаційний двигун Всесвіту. Ця ідея, втілена в так званій стандартній космологічній моделі (ΛCDM), десятиліттями служила нам вірою та правдою, пояснюючи безліч спостережень. Але що якщо ця звична картина неповна? Що, якщо головний двигун розширення — не такий постійний?

Звична картина світу дає тріщину

Основою нашого розуміння еволюції космосу є модель ΛCDM. Вона досить елегантно ділить вміст Всесвіту на три частини: звичайна матерія (зірки, планети, ми з вами — лише близько 5%), невловима темна матерія (близько 27%), яка не світиться, але гравітаційно «тримає» галактики разом, і домінуюча темна енергія (близько 6). У цій моделі темна енергія представлена ​​постійною космологічною (лямбдою, Λ), введеною ще Ейнштейном. Вона означає, що густина цієї енергії не змінюється з часом, і саме вона відповідає за прискорене розширення Всесвіту. Звучить складно, чи не так?

Проте недавні дані, отримані за допомогою Спектроскопічного інструменту темної енергії (DESI) в Аризоні, змусили вчених серйозно замислитись. DESI – це, по суті, гігантський 3D-картограф Всесвіту. Він із безпрецедентною точністю вимірює становище мільйонів галактик на різних етапах космічної історії. Аналізуючи ці дані, космологи можуть відновити темпи розширення Всесвіту в минулому. І ось тут і почалося найцікавіше.

Перші натяки з’явилися ще торік, а нещодавній, повніший аналіз трирічних спостережень DESI, схоже, підтверджує: темна енергія, можливо, поводиться не так постійно, як ми думали. Дані вказують на те, що її сила могла слабшати з часом. Це означає, що прискорення Всесвіту не константа, а величина змінна. Поки що результати не дотягують до рівня стовідсоткового відкриття (у науці для цього потрібні дуже суворі статистичні критерії), але вони вже є досить серйозними, щоб викликати, як висловився один із учених, «шок» у науковій спільноті. Стандартна модель, яка ще вчора здавалася непорушною, раптом опинилася під загрозою.

У пошуках нового пояснення: Від полів до п’ятої сили

Отже, якщо ΛCDM не справляється, що може прийти їй зміну? Просто «підкрутити» стару модель, додавши кілька нових параметрів, як запропонували деякі? Можливо. Але багато фізиків вважають такий підхід не надто задовільним — він більше схожий на латку, ніж реальне фізичне пояснення. Набагато цікавіше виглядають ідеї, які пропонують принципово інший погляд на природу темної енергії та навіть гравітації.

Одна з таких ідей – квінтесенція. Уявіть собі темну енергію не як якусь незмінну константу, а як динамічне поле, що пронизує весь Всесвіт, подібно до електромагнітного поля. Енергія цього поля може змінюватися з часом, плавно перетікаючи і впливаючи на розширення космосу. Що особливо привабливо в цій ідеї — вона не виникає з нізвідки. Моделі з полями квінтесенції природно з’являються в рамках фундаментальніших теорій, таких як теорія струн — одна з головних кандидаток на роль «теорії всього». Якщо виявиться, що темна енергія — це справді квінтесенція, це стане потужним аргументом на користь теорії струн.

Але є ще радикальніші припущення. Що, якщо справа не тільки в темній енергії, а й у тому, як вона взаємодіє з гравітацією? Деякі дослідники, як, наприклад, Ген Йє з Лейденського університету, розробляють моделі на кшталт «відтаювальної гравітації». Суть у тому, що сама гравітація, що описується загальною теорією відносності Ейнштейна, може почати поводитися інакше під впливом поля темної енергії, що змінюється. Це не просто змінює правила гри — це вводить у гру нового гравця.

Педро Феррейра з Оксфорда йде далі. Він і його колеги вважають, що пояснити дані DESI можна лише якщо допустити існування п’ятої фундаментальної сили природи (крім гравітації, електромагнетизму та двох ядерних сил). Ця нова сила була б пов’язана з темною енергією і впливала на все у Всесвіті, нарівні з гравітацією. Уявляєте? Ми завжди думали, що гравітація – головний диригент космічного оркестру. А тепер виявляється, що вона може мати конкурента!

Наука на роздоріжжі: Складності та перспективи

Звучить захоплююче, чи не так? Але тут починається найцікавіше і водночас найскладніше. Якщо існує п’ята сила, то чому ми не помічаємо її проявів тут, на Землі, чи у Сонячній системі? Орбіти планет вивірені з вражаючою точністю, і жодних відхилень від прогнозів загальної теорії відносності ми бачимо. Щоб обійти цю проблему, теоретикам доводиться вигадувати спеціальні «маскуючі» механізми, які приховували б дію п’ятої сили на малих масштабах, дозволяючи їй виявлятися лише у космічних масштабах. Це, звичайно, ускладнює картину та викликає резонне питання: а чи не надто ми ускладнюємо?

Інша серйозна проблема – поточні дані. Якими б інтригуючими були результати DESI, їх точності поки що недостатньо, щоб однозначно вибрати між різними новими теоріями — чи то проста квінтесенція, чи «відтаюча гравітація», чи моделі з п’ятою силою. Як влучно зауважив Феррейра, зараз кілька груп учених можуть запропонувати різні пояснення, і ми просто не матимемо способу визначити, хто має рацію, ґрунтуючись лише на цих даних. Є ризик в’язнути в дебатах, що базуються більше на особистих уподобаннях, ніж на фактах.

Що ж далі? Відповідь проста і складна одночасно: потрібні нові, ще точніші дані. Вчені з нетерпінням чекають на наступні порції інформації від DESI, які мають з’явитися в найближчі роки. Великі надії покладаються й інші проекти, наприклад, на космічний телескоп Euclid Європейського космічного агентства, спеціально створений вивчення темної енергії. Можливо, ключ до розгадки дадуть і спостереження за так званим слабким гравітаційним лінзуванням ефектом викривлення світла далеких галактик під дією гравітації масивних об’єктів. Якщо гравітація дійсно поводиться не так, як передбачає Ейнштейн, це має відбитися на тому, як викривляється світло.

Висновок: В очікуванні нової фізики?

Ми живемо у дивовижний час для космології. Те, що здавалося непорушною основою нашого розуміння Всесвіту, раптом похитнулося. Натяки на те, що темна енергія непостійна, відчиняють двері для абсолютно нових, часом радикальних ідей про природу реальності, гравітації та фундаментальних сил. Звичайно, поки що рано говорити про революцію — науці потрібен час і незаперечні докази. Але сам факт того, що ми серйозно обговорюємо можливість існування п’ятої сили або зміни законів гравітації, багато про що говорить.

Можливо, ми стоїмо на порозі нової ери у фізиці, коли доведеться переглянути основи нашого світобудови. А можливо, майбутні дані покажуть, що все було простіше, і стандартна модель все-таки встоїть, хай і з невеликими модифікаціями. У будь-якому випадку пошук відповідей триває, і він обіцяє бути неймовірно захоплюючим. Космос знову підкинув нам загадку, і розгадувати її — одне з найзахоплюючих завдань людського розуму.