Космический микроволновый фон (он же реликтовое излучение) появился всего спустя 380 000 лет после Большого взрыва и является самым старым наблюдаемым излучением во вселенной. Изучая закономерности, запечатленные в этом древнем излучении, ученые могут предположить возраст, размер и крупномасштабную структуру Вселенной.
В начале все пространство было заполнено звуком. Это было сразу же после большого взрыва, и вселенная была наполнена горячей плазмой — энергетическим супом из частиц и радиации. Хотя эта плазма была удивительно однородной, в ней все же случались флуктуации. По словам Ллойда Нокса, космолога из Калифорнийского университета в Дэвисе, были небольшие градиенты плотности и давления, которые сминали материал вокруг себя, «а когда происходит движение среды — возникают звуковые волны».
Но этот кажущийся триумф недавно привел Нокса и его коллег в противоречие и замешательство. Если преобладающие теории вселенной верны, то все способы вычисления постоянной Хаббла в современную эпоху должны дать один и тот же ответ. Значение, полученное путем экстраполяции древних звуковых волн, должно точно совпадать со значением, полученным в результате независимых исследований света от далеких звезд и галактик. На самом деле, серия исследований показывает, что два подхода приводят к неприятным разногласиям — и чем более старательно исследователи решают проблему, тем более определенным кажется конфликт.
Также не стоит исключать того, что кто-то из космологов глобально ошибается. Однако, по мере накопления доказательств, Нокс пришел к другому выводу: вина лежит не на его коллегах, а на самой вселенной. Если это так, то выяснение того, почему пространство не звучит так, как они ожидали, может привести космологов к ранее неизвестной физике, потенциально раскрывая совершенно новый аспект реальности. Нокс и его соавторы исследуют эту заманчивую возможность в новом исследовании, которое должно появиться в Астрофизическом журнале. «За последние два года, — говорит он, — я перешел от мысли «должно быть, они что-то сделали неправильно», к «ух ты, может, они как раз не ошибались». Может быть, это ключ, которого я так долго ждал!»
В погоне за горизонтом
Эволюция вселенной.
В своей работе Нокс и его коллеги сосредотачивают свое внимание на горизонте звука — неясном, но важном аспекте того, как космологи изучают раннюю вселенную. После большого взрыва звуковые волны, создаваемые смешением света и вещества, свободно распространялись по горячей, заполненной плазмой вселенной. Спустя примерно 380 000 лет вещество достаточно остыло, чтобы образовать атомы, тем самым отделившись от света и прекратив развитие звуковых волн. Поэтому сейчас мы можем наблюдать застывший «узор» звуковых волн в космическом микроволновом фоне.
Звуковой горизонт определяет размер этих финальных волн. «Как далеко могли распространиться звуковые возмущения к моменту исчезновения плазмы? Это расстояние и есть звуковой горизонт», — говорит Нокс.
Подобно тому, как вы можете интуитивно оценить свойства колокола по тому, как он звонит (маленький стеклянный колокол звучит совершенно иначе, чем большой латунный), исследователи могут вывести точные свойства вселенной из ее звуков, записанных в микроволновом фоне. Именно так они могут с уверенностью заявить, что космос состоит на 4.8% из обычной материи, на 26% из невидимого вещества, известного как темная материя, и на целых 69% из темной энергии — загадочной антигравитационной силы, которая растягивает пустое пространство. Более того, для нашей истории это еще один способ, с помощью которого можно получить скорость расширения вселенной с высокой точностью.
В 2015 году команда исследователей во главе с Джорджем Эфстатиу из Кембриджского университета начала анализ микроволновых измерений, полученных космическим кораблем Planck Европейского космического агентства и раскрыла некоторые характеристики вселенной. Их результаты показали, что вселенная расширяется со скоростью 67.8 км/с на мегапарсек (мегапарсек — единица расстояния, равная 3.26 млн. световых лет).
Между тем конкурирующие группы астрономов изучали расширение вселенной совершенно иным способом, отыскивая переменные звезды или взрывы сверхновых на известном расстоянии, а затем непосредственно измеряя, насколько быстро они удаляются от нас. Этот метод «дистанционной лестницы» сложнее, чем кажется. Подсчет расстояний на протяжении многих миллионов световых лет является тонкой и трудоемкой задачей, связанной с возможностью возникновения многих видов систематических ошибок. Неправильно определите местоположение звезды, и весь расчет будет ошибочным.
«Каждый раз, когда вы повышаете точность, вы должны перейти с систематикой на новый уровень. Это то, что не дает мне спать по ночам», — говорит Венди Фридман из Чикагского университета, которая более трех десятилетий занимается измерением постоянной Хаббла. Устойчиво подавляя неопределенности и опираясь на последние наблюдения переменных звезд, ее группа пришла к своему высокоточному значению для константы: 73.2 — и в этом заключается противоречие. «Это впечатляющий прогресс, когда эти два числа согласуются с точностью до 10 процентов», — говорит она, но сейчас такое грубое соответствие уже недостаточно хорошо. «Погрешности, конечно, не перекрываются, и нет ничего очевидного, что могло бы вызвать такую разницу». Чтобы определить любые неочевидные проблемы, она разрабатывает новый тип измерения расстояния, используя красные гигантские звезды в качестве опорных точек. В то же время она проводит двойной слепой эксперимент, чтобы повторно проанализировать все имеющиеся у нее данные на предмет предвзятости и ошибок.
Смещение света от галактик в красную область из-за их удаления от Земли.
Космологи с обеих сторон также обращаются за помощью к внешним группам, и пока что эти «независимые судьи» только углубляют тайну. Исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в котором рассматривается, как свет изгибается далекими галактиками, дает значение постоянной Хаббла, равное 72.5, что близко к результату Фридман. Между тем, столь же убедительное исследование, в котором рассматривается, как первичные звуковые волны влияют на распределение галактик в современной вселенной, дает значение константы — как вы уже догадались — равное 67. Расчеты постоянной Хаббла, привязанной к звуковому горизонту, последовательно дают меньшее число, чем те, которые основаны на наблюдениях звезд и галактик — и никто не знает почему.
Комплекс темного космоса?
Есть одно возможное решение проблемы: все измерения могут быть правильными, а ошибаются ученые с интерпретацией полученных результатов. Нокс отмечает, что все, что мы знаем о происхождении звукового горизонта, зависит от теоретической модели поведения вселенной в течение ее первых 380 тысяч лет жизни, о которых мы почти ничего не знаем. Так что если модели ошибочны и размер звукового горизонта отличается от прогнозируемого, эта корректировка изменит все полученные из нее числа, включая постоянную Хаббла. «Если есть космологическое решение, оно должно привести к меньшему звуковому горизонту», — говорит Нокс. Сократите его всего на 7 процентов, и все исследования счастливо согласуются друг с другом. Проблема в том, что не совсем понятно, что может быть причиной такого сокращения. Практически во всех отношениях модель и наблюдения тесно связаны друг с другом.
«Было очень сложно придумать решение, которое все прекрасно объясняет. Это должно быть что-то сложное, потому что мы уже испробовали все простые вещи», — говорит Мариус Миллеа, исследователь в Центре космологической физики Беркли и один из соавторов статьи Нокса. Он отмечает, что гораздо проще искать вещи, которые не работают: неоткрытый вид нейтрино? Нету. Новый тип взаимодействия между фотонами? Снова нет — все это конфликтуют с полученными данными.
Наиболее убедительным объяснением, по мнению Нокса, является то, что ранняя вселенная расширялась немного быстрее, чем ожидалось. Если это так, она бы охладилась быстрее и заморозила бы звуковой горизонт чуть раньше. Тогда звуковой горизонт будет меньше, чем тот, который теоретики используют в своих моделях, и — вуаля, проблема решена! Или, скорее, проблема просто видоизменится, потому что теперь вам нужно какое-то объяснение того, что заставило ранний космос расширяться быстрее.
Темная материя объясняет, почему скорость вращения галактик больше, чем получается при расчетах с использованием только видимого вещества.
У Нокса есть предположение. «Потенциально, это ведет нас к новому ингредиенту в «темном секторе», — говорит он, имея в виду универсальный термин космологов для невидимых компонентов вселенной, которые никак не взаимодействуют с излучением. Исследователи уже используют темную материю, чтобы объяснить движение галактик, и темную энергию, чтобы объяснить ускоряющееся расширение вселенной. Нокс утверждает, что расходящиеся измерения постоянной Хаббла могут быть первым признаком существования третьего темного компонента — «темного турбо», которое добавляло энергию ранней вселенной, тем самым ускоряя ее расширение. Связанная с этим возможность — темная энергия имеет более одной формы или изменяется со временем сложными способами. Недавнее исследование 1598 далеких квазаров (очень ярких ядер галактик — прим. перев.), проведенное на рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», дает интригующие, если не предварительные, доказательства для последней интерпретации.
Может показаться обманом призывать что-то новое и невидимое для объяснения запутанного результата, но Нокс смотрит на ситуацию противоположным образом: конфликт в измерениях постоянной Хаббла может показывать новый аспект вселенной, который до сих пор полностью ускользал от обнаружения. И он не видит ничего странного в том, что существует множество видов темных элементов, и указывает на то, что видимая часть вселенной содержит много различных типов частиц и сил, откуда возникает логичный вопрос: почему темная сторона вселенной не может быть такой же сложной?
Во всяком случае, это не философская дискуссия, а конкретный научный вопрос. Новые наблюдения ранней вселенной с помощью телескопа в Антарктиде и телескопа Атакама в Чили позволят дополнительно исследовать звуковой горизонт. Нокс также участвует в создании нового прибора под названием CMB-S4, который призван отобразить поляризацию микроволнового неба с большой чувствительностью. Далее, Фридман почти закончила свой всесторонний повторный анализ данных. Новые исследования гравитационных волн также предоставят совершенно независимый способ оценить истинное значение постоянной Хаббла.
Достаточно скоро данные установят, преследуют ли ученых ошибки, или же они продвигаются в неизведанной области космоса. «Гораздо интереснее, если это окажется фундаментально новая физика, но мы не хотим, чтобы это было так или иначе», — говорит Фридман. «Вселенной не важно, что мы думаем!»
