[Перевод] Новое астрономическое открытие поставило под вопрос принцип Коперника 500-летней давности23.06.2021 23:47

Гигантское кольцо гамма-всплесков и предполагаемая крупномасштабная структура, связанная с ним. Возможно, конечно, что это лишь псевдоструктура, и мы обманываем себя, считая, что это образование простирается на многие миллиарды световых лет

В течение почти всей истории человечества одно из представлений о нашем месте во Вселенной долго никто не оспаривал: наша планета, Земля, является недвижимым центром космоса. Этому соответствовали все наблюдения:

• небеса — включая звёзды, туманности и Млечный Путь, вращаются над нашей головой;
• только несколько источников света — такие, как Солнце, Луна и планеты — двигаются относительно этого вращающегося фона;
• ни один из экспериментов не демонстрировал вращения Земли или параллакса звёзд.

Идея о том, что Земля вращается вокруг своей оси и движется по орбите вокруг Солнца казалась некоей забавной выдумкой, которую всерьёз рассматривали лишь несколько древних философов вроде Аристарха Самосского или Архимеда. Геоцентрическая схема Птолемея работала лучше любой другой модели в описании движения небесных тел, до тех пор, пока Кеплер не постулировал эллиптические орбиты в XVII веке.

Однако, вероятно, более сильная революция произошла через сотню лет, когда Николай Коперник возродил идею о том, что Землю стоит увести от привилегированного положения в центре Вселенной. Сегодня принцип Коперника, говорящий о том, что ни мы, ни кто-либо ещё, не занимаем особого места во Вселенной, является краеугольным камнем современной космологии. Но верен ли он? Давайте подробно изучим свидетельства.

Движение Марса с декабря 2013 по июль 2014 года. Марс двигался из правого нижнего угла диаграммы в левый верхний до февраля, затем замедлился, остановился, пошёл назад, потом в мае снова замедлился и остановился, и, наконец, вернулся на первый путь. Раньше это считалось свидетельством наличия эпициклов, но теперь мы знаем, что это не так.

Модель Солнечной системы от Коперника, впервые сформулированная 500 лет назад, предлагала интересную альтернативу общепринятому объяснению.

Одним из классических аргументов в пользу геоцентризма, то есть, идеи о том, что все остальные планеты движутся вокруг Солнца по кругу, при этом они движутся по небольшим окружностям, которые в свою очередь движутся по большим окружностям. Такая схема давала определённую траекторию для каждой планеты, в соответствии с которой большую часть года планеты на небосводе двигались в определённом направлении по отношению к звёздам, но на какое-то время они, казалось, останавливались, обращали движение вспять, а потом снова шли в обычном направлении.

Это явление, известное, как ретроградное движение планет, долгое время служило свидетельством против круговых гелиоцентрических орбит. Одним из величайших прорывов Коперника — по крайней мере, исходя из исторических свидетельств, ведь трактат Аристарха Самосского не дошёл до нас — стала демонстрация того, что если внутренние планеты движутся по орбитам быстрее внешних, то их периодическое ретроградное движение можно объяснить, не прибегая к эпициклам или кругам в кругах.

Одной из величайших загадок XVI века было то, почему планеты двигаются ретроградно. Её можно было объяснить либо геоцентрической моделью Птолемея (слева), либо гелиоцентрической моделью Коперника (справа). Правда, ни одному из них не удалось описать систему с произвольной точностью.

Если Земле не нужно занимать особое положение во Вселенной, тогда ею, и всем остальным, должны управлять одни и те же физические законы. Планеты вращаются вокруг Солнца, луны — вокруг планет, и даже на все объекты, падающие на поверхность Земли, должны действовать одни и те же универсальные законы. Более столетия ушло на то, чтобы пройти от оригинальной идеи Коперника до открытия первого успешного закона гравитации. Ещё более ста лет понадобилось, чтобы проверить его напрямую. Однако гелиоцентрическая модель Коперника оказалась правильной.

Сегодня мы расширили принцип Коперника до предела. Наша планета, наша Солнечная система, наше место в Галактике, расположение Млечного Пути во Вселенной — да и вообще все планеты, звёзды и галактики не должны ничем выделяться. Во Вселенной не только всё время и повсеместно должны действовать одни и те же законы — не должно быть ничего особого или выделяющегося у любого места и любого направления во всём космосе.

Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной. Космологи только сегодня начинают подступаться к задаче определения того, какие регионы оказались достаточно массивными и плотными для того, чтобы соответствовать звёздным скоплениям, галактикам, галактическим скоплениям, и на каких масштабах и в каких условиях они сформировались.

Это, конечно, тоже лишь предположение. Мы предполагаем, что Вселенная одинакова по всем направлениям — изотропна — и одинакова во всех местах — гомогенна, по крайней мере, на крупнейших масштабах, Но чтобы проверить это на деле, нам нужно решить две задачи.

1. Нам нужно количественно оценить эти величины. Одно дело — заявить, что Вселенная изотропна и гомогенна, и совершенно другое — понять, на каком уровне она изотропна и гомогенна, и на каком уровне анизотропность и негомогенность начинают играть какую-то роль? Ведь если измерить среднюю плотность Вселенной, получится что-то около одного протона на кубический метр — только Земля в 1030 раз плотнее среднего значения, из чего очевидно следует негомогенность Вселенной!

2. Нам нужно измерить Вселенную и всё проверить. Мы ожидаем, что на крупных космических масштабах Вселенная будет очень близка к идеальной однородности — изотропности и гомогенности. Однако на всех масштабах должна проявляться анизотропность и негомогенность, и наблюдения должны продемонстрировать, насколько точно несовершенна Вселенная.

И если теория сильно не совпадёт с наблюдениями, у нас появится проблема, которая заставит нас поставить под сомнение действенность принципа Коперника.

Квантовые флуктуации, происходящие во время инфляции, растягиваются на всю Вселенную, и в конце инфляции превращаются в флуктуации плотности вещества. Это со временем приводит к появлению крупномасштабной структуры — такой, которую мы наблюдаем в нашей Вселенной, а также к флуктуациям температуры, имеющимся в реликтовом излучении. Подобные новые предсказания необходимы для подтверждения достоверности предлагаемого механизма тонкой подстройки.

Насколько мы понимаем, Вселенная появилась не просто из Большого взрыва, но из состояния, известного, как космическая инфляция, предшествовавшего и породившего Большой взрыв. Во время инфляции Вселенная не состояла из материи и излучения, в ней доминировала форма энергии, присущая самой ткани пространства. Квантовые флуктуации с расширением Вселенной растянулись по всему её объёму. Когда эта фаза и инфляция закончились, присущая пространству энергия превратилась в материю, антиматерию и излучение, породив Большой взрыв.

Квантовые флуктуации в этом важном переходе превратились в флуктуации плотности: участки, где плотность была немного выше или немного ниже среднего. Судя по наблюдаемым нами флуктуациям в реликтовом излучении и крупномасштабной структуре Вселенной, мы знаем, что их уровень равен порядка 1/30 000, и редко, примерно в 0,01% случаев, вы можете обнаружить флуктуацию в четыре раза больше. На всех масштабах, крупных и мелких, Вселенная родилась почти идеально гомогенной — почти, но не совсем.

С улучшением спутников увеличиваются их возможности зондировать меньшие масштабы, больше диапазонов частот и меньшие разницы в температурах реликтового излучение. Обратите внимание на существование флуктуаций в левой части графика: даже на крупнейших масштабах Вселенная родилась не идеально гомогенной.

Если вы хотите, чтоб в вашей вселенной сформировались гравитационно связанные структуры, вне зависимости от масштабов, вам придётся подождать. Должно пройти достаточно времени для того, чтобы:

• выросли участки с изначально более высокой плотностью, лишь немного превосходящей среднюю;
• , а это случится только тогда, когда космический горизонт, то есть, расстояние, которое может пройти свет, идущий от одного конца до другого, станет больше пространственного масштаба этих флуктуаций;
• и они должны вырасти с уровня в 0,003% до 68% — это критическое значение, ведущее к гравитационному коллапсу и быстрому (нелинейному) гравитационному росту;
• и только после этого смогут появиться такие наблюдаемые особенности, как квазары, галактики и обогащенные облака межзвёздного газа.

В среднем это значит, что при превышении определённых расстояний шансы получить связные космические структуры малы, а на расстояниях меньших этих масштабов подобные структуры должны быть достаточно распространёнными. Хотя полная вероятность того, что именно вероятно, а также вероятность того, что это произойдет, еще недостаточно изучена, общее ожидание состоит в том, что большие связные космические структуры должны исчезать на масштабах более 1–2 миллиардов световых лет. Модели и наблюдения за галактиками дают похожие крупномасштабные паттерны кластеризации.

Симуляции (красные) и наблюдения за галактиками (синие/фиолетовые) дают одинаковые крупномасштабные паттерны кластеризации. При отсутствии тёмной материи многие из этих структур отличались бы не просто в деталях, а вообще не существовали бы. Галактики встречались бы редко и содержали бы почти исключительно лишь лёгкие элементы. Крупнейшие галактические стены не превышают 1 млрд световых лет в поперечнике.

Однако наблюдения дали нам не совсем ту картину, которую мы ожидали. Года до 2010-го наши поиски крупномасштабных структур открыли существование гигантских «стен» Вселенной: галактик, группирующихся на космических масштабах, и формирующих связанные структуры, простирающиеся на сотни миллионов световых лет — максимум до 1,4 млрд световых лет. Но за последнее десятилетие были отрыты несколько структур, которые, судя по всему, выходят за этот предел:

• Huge LQG, или громадная группа квазаров — группа из 73 квазаров, формирующая структуру размером порядка 4 млрд световых лет;
• великая стена Геркулес — Северная Корона — скопление порядка 20 гамма-всплесков, выдающих структуру, простирающуюся на 10 млрд световых лет;
• на недавней 238-й встрече американского астрономического сообщества исследователи под руководством Алексии Лопес представили свидетельства существования гигантской арки из ионизированного газообразного магния, которую нашли при изучении поглощения излучения фоновых квазаров. По результатам исследования длина этой структуры должна равняться около 3,3 млрд световых лет.

Крупная структура, найденная в результате наблюдений, вроде бы опровергает гомогенность на больших масштабах. Чёрные пятна — это ионизированный газообразный магний, обнаруженный по особенностям поглощения света фоновых квазаров (голубых точек). Но на самом ли деле это реальная единая структура — пока непонятно.

На первый взгляд, эти структуры огромны — даже слишком огромны для того, чтобы укладываться в привычную для нас картину Вселенной. Но нам нужно очень, очень осторожно обходиться с заявлениями о том, что наша Вселенная не гомогенна на крупных масштабах — в особенности потому, что против этого у нас есть множество свидетельств. В своей значимой работе космолог Сеш Надатур после подробного изучения этих структур выдвинул два интересных предположения:

1. Если сгенерировать искусственные данные, не содержащие никаких структур в космических масштабах, больших определённых значений, алгоритм поиска структур всё равно может сообщить вам, что вы нашли структуру — хотя это будет всего лишь признаком его несовершенства.
2. Наличие признаков таких крупномасштабных структур само по себе не опровергает стандартную космологическую модель. Нужно количественно оценить, насколько распространённость таких структур несовместима с предсказаниями. К примеру, можно измерить фрактальную размерность Вселенной и сравнить его с предсказаниями, касающимися вселенной, заполненной тёмной материей и тёмной энергией. Ни одна из групп, заявлявших, что эти структуры нарушают гомогенность на больших масштабах, таких оценок не делала.

Если кинуть на пол большое количество спичек, в них можно будет найти закономерности, связанные с группированием. Если на полу найдутся последовательности из нескольких спичек подряд, их легко будет принять за крупномасштабную структуру.

На первый вопрос пытаются ответить несколько последних работ, а вот второй пока остаётся без ответа. Один из вариантов представить себе эту задачу — вообразить, что у вас есть коробка с очень большим количеством спичек, и вы опрокидывает её на пол, давая спичкам свободно раскатиться по полу. Полученная структура будет частично, но не полностью случайной. Вы увидите в ней закономерности, связанные с группированием

Часть спичек будет лежать отдельно. Некоторые будут выстраиваться в линии из 2, 3, 4 или даже 5 спичек подряд. Вам попадутся даже последовательности из 8–10 спичек, которые вы не ожидали увидеть.

Что, однако, случится, если у вас будет одна группа из 4–5 спичек подряд, расположенная вблизи другой такой группы? Есть риск, что вы решите, будто обнаружили группу из 8–10 спичек, в особенности, если ваши инструменты поиска корреляций будут несовершенными. Хотя у нас есть уже достаточно много примеров подобных структур, чьи размеры превзошли наши ожидания, ни одну из структур длиной более 1,4 млрд световых лет пока не сочли определённо реальной.

На картинке показаны два крупных скопления квазаров: группа квазаров Кловес-Кампусано (красным) и громадная группа квазаров (чёрным). Всего в двух градусах от них была найдена ещё одна группа. Но пока неясно, являются ли эти квазары независимыми, или входят в одну крупномасштабную структуру.

Некоторые важные моменты, связанные с гомогенностью Вселенной на крупнейших масштабах, умудряются упустить большинство людей — и даже большинство астрономов. Например, у нас всё её недостаточно данных. Мы не определили большинство галактик, стоящих за этими квазарами, газовыми облаками и гамма-всплесками. Ограничившись качественными данными из наблюдений за галактиками, мы не находим структур больше, чем 1,4 млрд световых лет в поперечнике.

Кроме того, Вселенная не родилась идеально гомогенной, несовершенства были у неё на всех масштабах. Несколько крупных, редких (но не сильно) флуктуаций могут стать простейшим объяснением нашего наблюдения этих крупномасштабных структур, превышающих по размерам то, что мы предсказывали.

Если окажется, что эти структуры неожиданно большого размера на самом деле реальны, это пошатнёт не только предположения, связанные с гомогенностью, но и самые основы современной космологии и принципа Коперника. Однако до того, как эти свидетельства станут однозначными, нужно преодолеть ещё несколько препятствий. Это интересная тема для исследований –, но точно так же, как не стоит ставить на предварительные результаты, опровергающие теорию Эйнштейна, не нужно делать ставки и против Коперника.