[Перевод] «Космический сбой» во Вселенной заставляет астрономов переосмыслить теорию относительности Эйнштейна
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была доказана бесчисленными исследованиями близлежащей Вселенной. Но в глубоком космосе она, похоже, даёт сбой.
За последние 100 лет бесчисленные исследования доказали, что величайшая теория Альберта Эйнштейна — его общая теория относительности — практически пуленепробиваема и способна на всё: от предсказания поведения чёрных дыр до управления GPS-технологией.
Однако по мере того, как учёные вооружаются все более мощными и сложными технологиями, способными заглянуть в космос в беспрецедентных деталях, они наблюдают явления, которые не могут объяснить с помощью теории Эйнштейна.
Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что искривление пространства-времени вызывает гравитацию. Но при увеличении масштабов, например, скоплений галактик, протянувшихся на миллиарды световых лет, законы теории гравитации меняются.
«Как будто сама гравитация перестаёт идеально соответствовать теории Эйнштейна», — говорит Робин Вэнь, недавний выпускник Университета Ватерлоо, в пресс-релизе университета.
Общая теория относительности Эйнштейна даёт поразительно точное представление о том, как гравитация взаимодействует с тканью пространства-времени в ближайшей части Вселенной.
Вэнь входит в общую рабочую группу Университета Ватерлоо и Университета Британской Колумбии, которая пытается разгадать эту загадку, называя это несоответствие в теории Эйнштейна «космическим глюком».
Их новое исследование, опубликованное в рецензируемом журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, предполагает, что гравитация становится примерно на 1% слабее на очень больших масштабах. Если бы гравитация вела себя в соответствии с теорией Эйнштейна, то этой разницы в 1% не должно было бы существовать.
Космологи не собираются в ближайшее время отказываться от общей теории относительности. Она по-прежнему является поразительно точной основой для понимания гравитации на малых масштабах.
«Мы же не нарушаем работу GPS или чёрной дыры. Мы лишь пытались понять, есть ли какие-либо отклонения на самых больших масштабах», — рассказал Вэнь изданию Business Insider.
Если этот сбой действительно существует, он может помочь космологам объяснить некоторые из величайших тайн Вселенной.
Ослабление космологической напряжённости
Телескоп Planck и карта космического реликтового излучения (РИ). Вэнь и его коллеги нашли доказательства своего космического глюка в данных РИ.
Исследовательская группа просматривала данные о космическом микроволновом фоне, когда обнаружила этот очевидный сбой.
Космическое РИ — это огромное рассеянное по всему пространству долгоиграющее излучение, оставшееся после Большого взрыва. Учёные используют его, чтобы понять самые ранние этапы развития Вселенной, например, как образовались первые галактики и что произошло сразу после Большого взрыва.
Вэнь и его коллеги использовали модель, основанную на фундаментальных физических законах, таких как общая теория относительности Эйнштейна, и сравнили предсказания модели о том, как должны выглядеть данные РИ, с данными реальных наблюдений за РИ.
Их научная модель не соответствовала наблюдениям — тому, что мы видим в далёкой Вселенной.
Однако когда они подправили теорию Эйнштейна, чтобы учесть 1% гравитационного дефицита, их модель стала более точно соответствовать данным наблюдений, сказал Вэнь в интервью BI по электронной почте.
Поправка в 1% может показаться незначительной, но этого достаточно, чтобы предположить, что теория Эйнштейна нуждается в переосмыслении. Более того, этот сбой может помочь нам лучше понять некоторые непонятные особенности поведения Вселенной.
Диаграмма расширения Вселенной с момента Большого взрыва. Данные наблюдений в нашем местном космическом регионе свидетельствуют о том, что близлежащая Вселенная расширяется быстрее, чем далёкая, чего не должно быть согласно стандартным законам физики.
Космос, как мы его понимаем, полон противоречий. Иногда различные измерения одного и того же явления не согласуются друг с другом. Одним из примеров такого явления является хаббловская напряжённость — проблема, которая озадачивает астрономов на протяжении многих лет.
Хаббловская напряжённость относится к противоречивым измерениям скорости расширения Вселенной. Согласно нашей стандартной модели физики, скорость расширения Вселенной должна быть одинаковой везде. Однако наблюдения за близлежащей Вселенной показывают, что скорость расширения тут выше, чем в регионах далёкой Вселенной. Астрономы предложили множество возможных объяснений, но пока не пришли к единому мнению.
Теперь, после изучения этого «космического сбоя», появилось новое объяснение.
Ослабление гравитации на 1% на больших масштабах могло бы уменьшить хаббловскую напряжённость, приблизив скорость расширения Вселенной к данным локальных наблюдений, сказал Ниаеш Афшорди, соавтор исследования и профессор астрофизики в Университете Ватерлоо, в недавнем интервью на YouTube.
Нестандартное мышление
Галактическое скопление IDCS J1426. Разрешение противоречий между нашей наблюдаемой локальной Вселенной и далёкими, широко простирающимися галактическими скоплениями, подобными этому, потребует «странных» решений.
Тот факт, что этот космический глюк потенциально может помочь астрономам решить проблему хаббловской напряжённости, является хорошим признаком того, что она действительно может существовать. Но это исследование не является окончательным доказательством дефицита гравитации в 1% на больших масштабах, говорит Вэнь.
Пока ещё есть вероятность, что этот сбой может быть результатом статистической ошибки. «С будущими данными в ближайшие 10 лет мы должны увидеть, действительно ли это реальное обнаружение или просто флуктуация, связанная со статистической обработкой данных», — сказал Вэнь.
Валерио Фараони, профессор физики и временный декан факультета естественных наук Бишопского университета, сказал BI, что разумно полагать, что сбой может существовать, потому что общая относительность не была проверена в далёкой Вселенной.
Поэтому «вполне возможно, по крайней мере, в принципе, что мы не понимаем гравитацию на больших масштабах», — сказал Фараони, который не принимал участия в исследовании.
Он считает, что для разрешения противоречий между предсказаниями и наблюдениями за нашей Вселенной нам необходимо мыслить нестандартно. И это исследование «космического глюка» как раз и направлено на это.
«Вероятно, нам нужно что-то возмутительное», — сказал он. «Это действительно выглядит экзотично, это действительно выглядит странно. Но я думаю, что мы должны быть абсолютно открыты для всех этих странных идей».
Спектроскопический прибор для изучения тёмной энергии (DESI) составил самую большую на сегодняшний день 3D-карту нашей Вселенной. На этом фрагменте космоса показаны области с высокой и низкой плотностью.
Далее Вэнь и его коллеги внимательно изучат новые данные, полученные с помощью спектроскопического прибора для изучения тёмной энергии (DESI). DESI измеряет влияние тёмной энергии на скорость расширения Вселенной и создаёт самую большую 3D-карту космоса на сегодняшний день.
Кроме того, DESI обнаружил, что тёмная энергия, как и гравитация, ведёт себя не так, как ожидают астрономы, на больших космологических масштабах. Вэнь хочет выяснить, связаны ли эти два «глюка» между собой, что послужило бы ещё одним доказательством необходимости корректировки общей теории относительности.
Но даже он скептически относится к ограничениям общей теории относительности. «Если бы вы попросили меня сделать ставку, я бы поставил на ОТО. Ведь ОТО работает так хорошо, верно? Что касается альтернативных моделей, то на данном этапе трудно о них что-то сказать», — говорит он.
