[Перевод] Вселенной на самом деле может быть не 13,8, а 26,7 миллиарда лет
По крайней мере, благодаря телескопу Джеймса Уэбба, у нас есть этому определенные доказательства. Мы начали видеть галактики, которым гораздо больше лет, чем может быть объяснено стандартной космологической моделью. Они выглядят чересчур «современными». Но у некоторых ученых есть объяснение: мы неверно понимаем текущий возраст Вселенной. На самом деле она гораздо старше, чем мы думали раньше.
Уже с начала этого года научная общественность начала что-то предполагать. Но ученые старались не спешить с выводами — чтобы их не подняли на смех за то, что они ставят под сомнение одну из самых ключевых теорий о нашей действительности. Высказывались предположения, что предварительные данные, полученные с телескопов, ненадежны, неправильно обработаны или мы не совсем понимаем, как именно протекают ранние стадии формирования космической структуры, так что галактики почему-то формируются гораздо быстрее, чем мы думали раньше.
Но законы физики были проверены и перепроверены. Далекие галактики оказались слишком яркими и массивными. И вот, в июле, появилась первая работа, посвященная этой проблеме. В ней утверждается, что, согласно наблюдениям, Вселенной на самом деле 26,7 миллиарда лет, а не 13,8. Потому что даже «очень ранним» галактикам, наблюдаемым в дальних уголках Вселенной, оказывается не меньше 13,4 миллиарда лет.
Такой огромный возраст галактик не согласуется с нашими представлениями о процессах их формирования: конденсации газа, возникновении мириады звезд, их коллапсе в черные дыры. Для того чтобы галактики и черные дыры (часто образующие их центр) стали сверхмассивными меньше чем через миллиард лет после Большого взрыва, аккреция массы на заранее созданное «семя» черной дыры должна быть сверхбыстрой, и превышать теоретически допустимый предел Эддингтона.
В то же время исследователи говорят, что создали модель с «ковариационными константами связи» (CCC), и она объясняет все наши наблюдения без необходимости придумывания «зародышей» черных дыр в ранней Вселенной, изменения физики образования массивных звезд или скоростей суперэддингтоновской аккреции. Правда, для её использования нам нужно сильно расширить возраст нашей Вселенной.
Модель CCC предлагают рассматривать как расширение или «редакцию» стандартной космологической модели (ΛCDM) — с меняющимися космологическими константами и постепенно слабеющим светом, что позволяет иначе вести расчет времени с начала Большого взрыва.
Ранджендра Гупта
Публикацию сделали канадские ученые во главе с Ранджендром Гупта, но многие пока не готовы согласиться с тем, что мы ошиблись в возрасте Вселенной «всего-то» на 13 миллиардов лет, то есть почти в два раза. До того, как новая версия будет принята научным сообществом (если она вообще будет принята), может пройти много лет. Давайте рассмотрим эти две теории бок о бок и выясним, какая из них больше похожа на правду, и как мы вообще можем это с точностью определить.
Текущие предположения
Поскольку мы пока не побывали в далеком космосе и лично не убедились, что там происходит, нам приходится делать «обоснованные предположения». В случае со стандартной космологической моделью (ΛCDM) эти предположения у нас таковы:
законы физики, а именно общая теория относительности (для гравитации) и стандартная модель физики элементарных частиц (для трех других фундаментальных сил) нормально работают в далеком космосе, и мы можем на них полагаться;
Вселенная примерно одинакова во всех направлениях (изотропна) и во всех местах (однородна), если исследовать её в самых больших космических масштабах;
в дополнение к известным частицам, составляющим наши традиционные представления о материи и излучении, существуют также некая «темная материя» и «темная энергия», обе из которых способствуют расширению Вселенной, причем темная материя во многом отвечает за формирование самых больших космических структур.
В общей теории относительности и физике элементарных частиц есть также несколько невысказанных предположений, которые настолько фундаментальны для этих теорий, что о них даже не упоминают. Мы считаем, что основные законы физики одни и те же везде и всегда (даже миллиарды лет назад). Что фундаментальные константы постоянны в пределах пространства и времени. И что единственное влияние пустого пространства космоса на проходящий через него свет — это изменение длины волны этого света.
Последнее происходит за счет комбинации доплеровского смещения (из-за относительной скорости по отношению к наблюдателю), гравитационного красного смещения (из-за искривления пространства-времени) и космологического красного смещения (из-за постоянного расширения Вселенной). Изменение длины волны света позволяет нам измерять массу космических феноменов, в том числе удаленность галактик от нас и их примерные размеры.
Новая идея, выдвинутая Раджендрой Гуптой, сохраняет большую часть этих предположений, но предлагает несколько важных изменений в них. Они говорят, что это минимальные необходимые изменения, которые позволили бы объяснить те несоответствия, которые мы наблюдаем:
Во-первых, нужно предположить, что существует не только доплеровское, гравитационное и космологическое смещение. К ним всем следует добавить так называемую теорию «усталого света». Эта гипотеза была первые выдвинута известным астрономом Фрицем Цвикки еще в 1929 году. Она говорит, что свет всё-таки излучает и теряет энергию по мере своего путешествия — по сути, постепенно «уставая». Фриц Цвикки был тем, кто первым предположил существование темной материи, открыл эффект гравитационной линзы и методы образования нейтронных звезд. Но его предположение об «усталости» света и методах, которыми она может происходить, не нашло такого же отклика среди ученых.
Во-вторых, вместо стандартного предположения о том, что законы физики и лежащие в их основе фундаментальные константы неизменны во времени, Гупта ссылается на ряд других исследователей и предлагает предположить, что фундаментальные константы c (скорость света), ℏ (постоянная Планка) и G (гравитационная постоянная) на самом деле могут меняться со временем. При этом они меняются особым образом — все вместе, разом — так что комбинации этих констант, управляющих атомными переходами и линиями излучения/поглощения, остаются неизменными, и продолжают работать даже когда мы смотрим на более ранние галактики и изучаем законы начала Вселенной.
Необходимость в новой теории
Нам казалось, что мы понимаем очень многое. Вплоть до методов формирования и постепенного исчезновения черных дыр за счет особенностей квантовых частиц. Такие базовые вещи как возраст Вселенной уж точно не подвергались сомнению уже лет пятьдесят. И даже наоборот — этот возраст постепенно вычислялся всё четче и четче, с 14,46 ±0,8 млрд до 13,78 млрд и 13,787 млрд. Постепенно знаков после запятой становилось всё больше, мы как будто приближались к разгадке!
Но всё это было до того, как наши теории столкнулись с реальностью.
Все эти цифры были результатами анализа данных с космической обсерватории Планка, запущенной в 2009 году. Сегодня, менее чем через год после начала работы куда более мощного телескопа Джеймса Уэбба, история резко изменилась. Нам стало видно более 100 галактик, которые возвращают нас, видимо, к первым 300–400 миллионам лет существования Вселенной. В том числе GN-z11 и JADES-GS-z13–0 (на данный момент самая удаленная из известных нам галактик). Многие другие сейчас находятся на стадии подтверждения. Причем все это довольно большие и массивные галактики — вероятно, вполне похожие на те, которые мы можем наблюдать вокруг нас.
Тот факт, что, смотря вдаль, мы видим так много галактик с этими свойствами, вызывает у ученых недоумение. Откуда появились такие галактики на столь раннем этапе формирования Вселенной? Мы, вроде бы, хорошо понимаем физические процессы, которые тут происходят. Как газ сгущается, формируя эти ранние галактики, и как образование звезд и их излучение дает обратную связь и предотвращает попадание в галактику будущего газа.
Существует предел скорости аккреции материала на космические объекты (тот самый предел Эддингтона). И согласно расчетам образование даже небольших галактик должно занимать как минимум 500 млн лет (а вообще, по-хорошему, 1 млрд, если учесть закон Кенникатта-Шмидта). Поэтому, когда мы смотрим на эти очень ранние галактики, у нас создается впечатление, что тут что-то не так. Многие из них обладают необычными свойствами, которые трудно согласовать с этой теоретической картиной. Например, они:
- очень массивные,
- очень яркие,
- очень богаты тяжелыми элементами,
- очень богаты газом,
- очень активно формируют новые звезды.
Находки телескопа Джеймса Уэбба, кажется, не согласуются с нашей текущей основной теорией космоса. Как могло столько галактик возникнуть так быстро после Большого взрыва? А если мы сможем заглянуть еще дальше, то найдем галактики еще старее?
В своей статье Гупта и его коллеги отмечают, что если ввести теорию «усталого света» в дополнение к стандартным ингредиентам космологии ΛCDM, то мы приходим ко Вселенной, которая визуально «стареет» намного медленнее — и при этом имеет очень большие красные смещения света (соответствующие большим расстояниям). В то время как стандартная вселенная ΛCDM должна была образоваться всего 13,8 миллиардов лет назад, вселенная ΛCDM с усталым светом будет как минимум на 6 миллиардов лет старше — то есть в реальности ей будет около 20 миллиардов лет. Кроме того, большая часть этого визуального старения придется на первые миллиарды лет жизни Вселенной. В то время как галактикам, видимым на пределе возможностей Хаббла и Джеймса Уэбба в ΛCDM будет всего 300–400 миллионов лет, в ΛCDM с «усталым светом» им будет около 2 миллиардов лет. Что вполне соотносится с нашими знаниями о том, как быстро возникают галактики.
Стандартная модель космологии. Которая сейчас стоит под вопросом
Если ввести в дополнение к «усталому свету» еще и ковариационные константы связи (ССС), то можно увеличить общий возраст Вселенной до колоссальных 26,7 миллиардов лет. Не расходясь с тем, что мы наблюдаем, и не меняя глобальные законы физики. При красном смещении z=10 самым дальним галактикам вместо ~400 миллионов или ~2 миллиардов лет будет уже около ~6 миллиардов лет.
Гупта утверждает, что хотя телескоп Джеймса Уэбба показал нам галактики, которые кажутся куда более массивными и яркими, чем мы ожидали увидеть, если перейти на его модифицированную космологию с усталым светом и ковариационными константами связи, эти галактики внезапно приходят в соответствие с ожиданиями.
4 способа доказать теорию «старой Вселенной»
Конечно, вряд ли можно менять всё наше видение космоса и понимание Вселенной на основании нескольких снимков. Может быть, мы просто чего-то не понимаем, и галактики формируются куда быстрее, чем мы думали раньше. Или есть еще какой-то принцип, позволяющий им возникать почти сразу после Большого взрыва, и очень быстро набирать массу. Чтобы подтвердить именно теорию Гупты, нужны доказательства. И они могут появиться. Есть ключевые вещи, которые мы можем заметить, если «свет устает», перемещаясь по космосу, или если фундаментальные константы связи все вместе меняются по мере эволюции Вселенной.
Есть четыре самых важных потенциальных доказательства, которые мы можем получить. Итак, теория Гупты будет подтверждена, если:
№ 1: Усталый свет добавит «эффект размытия» далеким галактикам.
Когда Фриц Цвикки впервые предложил идею усталого света в 1929 году, это была одна из тех немногих астрономических идей, которая не казалась жизнеспособной даже на тот момент, когда она была предложена. Почему? Даже сам Цвикки еще до своей публикации осознавал, что если бы во Вселенной существовало что-то, заставляющее свет утомляться, это значило бы, что он с чем-то взаимодействует. А еще более удаленные объекты, выходило, не просто казались бы краснее, но и всегда были бы более размытыми: свет от них доходил бы до нас не так эффективно.
На изображении выше можно увидеть два объекта: массивный объект на переднем плане с относительно малым красным смещением и гораздо более дальний фоновый объект с большим красным смещением. Если бы сценарий «усталого света» играл какую-то роль в красном смещении этих объектов, более удаленные объекты всегда были бы размыты сильнее. Тем не менее, на этом, а также на других изображениях, которые показывают вместе объекты разной дальности, мы видим разницу в красном смещении, но почти не видим разницу в размытии. Когда мы смотрим дальше и глубже, Вселенная не становится более «размытой». Оптические пределы наших телескопов и обсерваторий показывают, что около 100% наблюдаемого красного смещения является обычным космическим, и никакие дополнительные теории здесь не нужны.
№ 2: Усталый свет устранит космологическое замедление времени.
Чем сильнее свет объекта смещен в красный диапазон, тем больше времени потребуется наблюдателю для того, чтобы увидеть то же количество излучаемых волн. Длина волны объекта с красным смещением z = 1 будет растянута на 100% по сравнению с объектом, красное смещение которого z=0 (т.е. он находится здесь и сейчас). Для того, чтобы такое же количество «гребней» и «впадин» волны прошло мимо нас, нам пришлось бы ждать в два раза дольше. Что приводит к очень интересному выводу: когда мы смотрим на далекую Вселенную с большим красным смещением, мы должны видеть, как эти далекие объекты демонстрируют космологическое замедление времени: с нашей точки зрения их часы, их волны, кажутся более медленными.
Чем больше расстояние до галактики, тем больше наблюдаемое красное смещение, а также тем больше величина наблюдаемого замедления времени — поскольку сигнал тоже «растягивается» во времени.
Мы видим это для множества космических объектов, в том числе для далеких сверхновых. Чем больше смещение сверхновой в красном диапазоне, тем больше ее кривая всплеска яркости «растягивается» во времени. Недавно это было также подтверждено при рассмотрении квазаров, которые, как нам кажется, «тикают» с регулярной периодичностью. Когда мы смотрим вдаль, и видим Вселенную, которой было менее 1 миллиарда лет, 100% красного смещения, опять же, кажется космологическим: эти квазары показывают замедление времени точно на величину, предсказываемую нашей стандартной космологией ΛCDM. Никакого дополнительного замедления не происходит. Места для теории «усталого света» тут не остается. А значит, в дело вступает бритва Оккама: лишний концепт вводить не обязательно.
№ 3: Усталый свет изменит тепловой спектр космического микроволнового фона.
Очень, очень важный показатель. В то время как самые дальние галактики, которые мы рассматриваем, имеют огромное красное смещение z = 13, мировой рекордсмен в этом плане, космический микроволновый фон, имеет абсолютно колоссальное красное смещение z = 1089. Этот свет шел с тех пор как Вселенной было всего 380 тысяч лет (согласно стандарту ΛCDM). Когда свет смещается в красную сторону из-за космологического расширения, он сохраняет свой характер черного тела: спектр распределения фотонов остается в тепловом равновесии. Но числовая плотность фотонов должна упасть, чтобы соответствовать плотности «более холодного» черного тела. Мы видим, что в ΛCDM это происходит.
Но если бы вместо этого свет «утомлялся», мы видели бы другой процесс. Энергия отдельных фотонов, составляющих космический микроволновый фон, падала бы, но их числовая плотность не менялась. В результате спектр «усталого света» не соответствовал бы спектру абсолютно черного тела.
Красная линия соответствует тому, как изменилось бы реликтовое излучение в 2,998 К при сценарии усталого света: потеря энергии, но неспособность сохранить свой характер черного тела. Мы можем определить, что не более 0,001% реликтового излучения может состоять из фотонов «усталого света».
Мы знаем ответ. Как показано на изображении выше (по данным старой миссии НАСА «Исследователь космического фона»), космический микроволновый фон является самым совершенным черным телом из когда-либо измеренных. «Усталому свету» здесь места тоже не остается. Единственным способом спасти этот аспект космологии «усталого света» было бы наблюдение какого-то нечернотельного компонента космического микроволнового фона. Но до настоящего времени ничего подобного не наблюдалось.
№ 4: Эволюция констант связи не только повлияет на далекую Вселенную, но и будет обнаружена в лабораторных экспериментах здесь, на Земле.
В общем, доказательств новой теории пока не наблюдается. За исключением того, что она хорошо объясняет существование новых открытых галактик. Но есть и вторая идея Гупты и его команды: что константы связи меняются со временем. Как мы знаем, атомные переходы регулируются изменениями двух фундаментальных констант, c (скорость света) и ℏ (постоянная Планка), в то время как космологические процессы чувствительны еще и к G (гравитационной постоянной). Согласно теории Гупты, все они взаимосвязаны, и миллиарды лет назад могли иметь другие значения.
К счастью, на Земле у нас есть независимые способы независимой проверки этих констант, включая то, как они изменялись с течением времени. Неплохие данные могут дать лабораторные измерения магнитного момента электрона, спин-флип-переход водорода и эквивалентность инертной/гравитационной массы. Но есть и еще более точное измерение, которое доказывает постоянство этих фундаментальных констант во времени. Достаточно оценить показатели единственного естественного для Земли ядерного реактора. А именно — уранового месторождения Окло в Габоне, где деление ядер происходит почти два миллиарда лет.
Желтые месторождения — оксид урана
Рассматривая то, как протекали ядерные реакции в естественных условиях, существовавших на Земле 1,7 млрд лет назад, можно определить, что постоянная тонкой структуры, зависящая от заряда электрона, скорости света и постоянной Планка, точно изменяется меньше чем на 0,3 части в 10 квадриллионах (1016) в год. Это в миллиарды раз меньше, чем требуется для теории Гупты о «изменяющихся фундаментальных константах». А поскольку постоянная Планка (почти?) не меняется, то и все остальные показатели, будучи взаимосвязанными, тоже меняться не могут.
Выводы: сколько на самом деле лет нашей Вселенной?
Мы видим, что, судя по текущим данным, все четыре доказательства «старой Вселенной» не работают. А скорее наоборот подтверждают правильность стандартной космологической модели ΛCDM.
Модель Гупты может быть забавным мысленным экспериментом, но пока не имеет под собой реальных подтверждений. Ни в плане существования «усталости света», ни в отношении «ковариации фундаментальных констант». Наши наблюдения за Вселенной, от далеких галактик до космического микроволнового фона и древних ядерных реакторов прямо здесь, на Земле, показывают, что идеи «более старого космоса» не соответствуют нашей действительности.
Вселенная может быть не до конца нам понятна, но, судя по всему, мы можем быть уверены, что её возраст составляет именно 13,8 миллиарда лет, а вовсе не 26,7 миллиарда лет, как предполагает новая гипотеза.
Причины появления «слишком ранних» галактик на снимках Джеймса Уэбба нам еще предстоит объяснить. Это следующая большая и очень сложная задача для астрофизиков. Но менять ради неё всю нашу теорию о космосе пока что преждевременно.
