Вселенная расширяется не по плану: поставлена под сомнение фундаментальная космологическая модель
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, анализирует наиболее полный набор данных о кластеризации галактик для проверки космологической модели ΛCDM. Авторы делают попытку выявить несоответствия в формировании структур во Вселенной и намекают на то, что пришло время «новой физики».
Модель ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда-Си-Ди-Эм, Лямбда-CDM) считается самой современной космологической моделью, описывающей эволюцию, расширение и структуру Вселенной. Она охватывает холодную темную материю (CDM), обычную видимую барионную материю, микроволновое реликтовое излучение, а также космологическую постоянную (Λ), которая «отвечает» за гипотетическую темную энергию.
Эта модель успешно объяснила несколько фундаментальных космологических явлений, включая крупномасштабную структуру Вселенной, ее ускоряющееся расширение и фоновое космическое излучение, распространяющееся после Большого взрыва, который произошел 14 миллиардов лет назад.
В то же время модель ΛCDM не может до конца объяснить такие явления, как космическая инфляция, темная энергия и темная материя. Недавние эксперименты программы DESI (Dark Energy Survey Instrument), указывают на потенциальные уязвимости модели Лямбда-CDM. Исследовательская группа стремилась проанализировать, могут ли эти аномалии быть связаны между собой и указывать на необходимость создания новой физической модели.
В состав команды входили доктор Ши-Фан Чен из Института перспективных исследований, Нью-Джерси; профессор Михаил Иванов из Массачусетского технологического института; доктор Оливер Филкокс из Колумбийского университета; и Лукас Венцл, аспирант Корнеллского университета.
Говоря о мотивации, стоящей за их работой, доктор Чен сказал: «Возможность достоверно сказать что-либо о Вселенной — это уже дорогого стоит. Что особенно приятно, так это то, что у нас есть множество объектов, наблюдаемых в рамках разных исследований. Данные наблюдений и измерений мы можем анализировать и моделировать применительно к другим объектам»,
Соединяя космические точки
Как уже упоминалось, модель ΛCDM не учитывает некоторые явления, обнаруженные в ходе последних наблюдений. К ним относятся расхождения между прямыми и косвенными измерениями скорости расширения Вселенной (коэффициент Хаббла), расхождения между прямыми и косвенными измерениями кластеризации материи, т.е. роста структуры (коэффициент σ8), и недавние данные DESI, предполагающие возможные доказательства существования динамической темной энергии (коэффициент Λ предполагает, что темная энергия — это константа).
Подход исследовательской группы оказался принципиально новым, поскольку ученые хотят выяснить, может ли одна и та же физика достоверно объяснить эти аномалии. Чтобы проверить гипотезу, исследователи объединили измерения из нескольких источников, чтобы создать всеобъемлющий набор данных.
В перечень источников для анализа вошли:
- Набор данных BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) DR12 с северными и южными галактическими шапками
- Выборки LOWZ (галактики с низким красным смещением) и CMASS (галактики с высокой массой), охватывающие различные диапазоны красного смещения
- Взаимную корреляцию с картами гравитационного линзирования Планка CMB.
Эти группы данных были проанализированы в двух условиях: в рамках стандартной модели ΛCDM и в рамках гипотезы динамической темной энергии, чтобы проверить выводы DESI. Доктор Филкокс объяснил, как им удалось сохранить высокую точность отобранных данных. «Мы действительно пытались подобрать согласованные определения для образцов, отбрасывая часть имеющихся данных со случайными ошибками в критериях отбора. Подчас приходилось действовать в ущерб нашим статистическим ограничениям, даже если эти данные успешно использовались в предыдущих анализах».
«Кроме того, в рамках предыдущих работ мы провели множество тестов на перекрестные корреляции с CMB-линзированием, чтобы убедиться в отсутствии очевидной систематики».
Вселенная растет слишком медленно
ΛCDM-анализ выявил несколько меньшую скорость роста галактических структур, чем прогнозировалось, что свидетельствует о значительном расхождении (4,5σ) с результатами Планка. Кроме того, анализ подтвердил существующие значения плотности вещества, постоянной Хаббла и роста структуры Вселенной.
В ходе анализа темной энергии команда ученых не обнаружила убедительных доказательств существования динамической темной энергии, что позволяет предположить, что темная энергия ведет себя как космологическая постоянная. Наблюдаемое подавление роста структуры аналогично тем, которые были предсказаны с помощью ΛCDM-анализа.
Наконец, значение постоянной Хаббла согласуется с данными Планка, но расходится с прямыми локальными измерениями. Профессор Иванов: «Мы обнаружили, что формирование структур в поздней Вселенной, где влияние темной энергии наиболее выражено, по данным исследования галактик BOSS, кажется существенно подавленным по сравнению с ожиданиями от ранней Вселенной и реликтового излучения».
«Это верно, даже если мы допускаем, что история расширения отличается от стандартной космологической постоянной формы темной энергии».
Новая физика или ошибки в данных
По мнению ученых, вероятность того, что подавленный рост структуры является случайным, составляет 1 к 300 000, что убедительно свидетельствует о том, что происходит нечто необъяснимое. Это либо внесистемная ошибка данных, либо некие новые физические принципы.
Полученные данные также являются самым убедительным на сегодняшний день доказательством существования напряженности σ8 и показывают, что предполагаемая как гипотеза динамическая темная энергия не может ее полностью разъяснить.
Результаты исследования бросают вызов нашему пониманию формирования Вселенной и, что более важно, самой фундаментальной на сегодня космологической модели Лямбда-CDM.
Недавно на роль детектора неуловимой темной материи ученые предложили назначить массивный Юпитер.
