Стандартная модель космологии — наша ведущая теория космической эволюции — предполагает, что тёмная энергия неизменна во всей Вселенной и во времени, что делает её фундаментальным свойством пространства. Если бы она была постоянной, таинственная тёмная энергия, составляющая целых 70 процентов Вселенной, отталкивала бы все звёзды и галактики. Однако самый масштабный обзор космической истории Вселенной может указывать на то, что тёмная энергия, также известная как гипотетическая сила «антигравитации», может эволюционировать со временем, а не оставаться постоянной, что указывает на менее одинокое будущее для обитателей Вселенной.
Прошло более двух десятилетий с момента открытия темной энергии. Таким образом, у учёных было более 20 лет, чтобы разгадать тайны этой невидимой субстанции, которая, по-видимому, разрывает Вселенную. Однако они до сих пор почти ничего о ней не знают. На самом деле, тёмная энергия, возможно, даже не является субстанцией. Это может быть сила или даже внутреннее свойство самого пространства, сообщает Space.com.
Если этот предварительный результат подтвердится в ходе будущих наблюдений, космологам, возможно, придётся, как минимум, изучить систематические неопределённости в преобладающей модели лямбда-CDM (LCDM) – математической модели Вселенной, в которой лямбда представляет тёмную энергию. Возможно, им также придётся начать анализировать десятки других моделей нашей Вселенной, чтобы найти наиболее подходящую. Пока что данные носят предварительный характер – они не достигают так называемого «порога 5 сигм», который определяет, можно ли считать сигнал официальным открытием. Таким образом, постоянно появляющиеся интерпретации эволюции тёмной энергии могут измениться по мере поступления новых данных в ближайшие несколько лет.
«Если это правда, то это просто переворачивает космологию с ног на голову», — заявил Диллон Браут из Бостонского университета, который измеряет ускорение Вселенной с помощью сверхновых. Такое открытие стало бы «сдвигом парадигмы в нашем понимании того, каково наше лучшее понимание Вселенной».
Фрагмент данных DESI отображает небесные объекты от Земли (в центре) до миллиардов световых лет от нас. DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/C.Lamman
Спектроскопический инструмент для измерения тёмной энергии (DESI), установленный на четырёхметровом телескопе имени Николаса У. Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне, ежемесячно определяет положение миллиона галактик. Благодаря этим наблюдениям космологи могут измерять скорость расширения Вселенной за последние 11 миллиардов лет. Эти далёкие галактики, которые можно сравнить с «уличными фонарями Вселенной», помогают космологам изучать пронизывающую Вселенную загадку тёмной энергии.
4 апреля 2024 года проект DESI представил самую большую в истории трёхмерную карту Вселенной. Она также включает высокоточные измерения скорости расширения Вселенной за последние 11 миллиардов лет. Только за первый год работы DESI продемонстрировал вдвое большую эффективность в измерении истории расширения ранней Вселенной, чем его предшественник, Sloan Digital Sky Survey, которому потребовалось более десяти лет на создание аналогичной трёхмерной карты.
Помимо бесчисленных галактик, скопившихся вместе, словно переплетенные нити, новая трехмерная карта DESI выявляет едва заметный узор в ранней Вселенной, известный как барионные акустические осцилляции (БАО). Эти едва заметные трехмерные морщины пронизывали материю, существовавшую в течение первых 380 000 лет истории нашей Вселенной, застывая со временем и превращаясь в реликты раннего космоса. Картируя размеры этих застывших БАО, исследователи смогли оценить расстояния до галактик и сделать выводы о скорости расширения Вселенной в различные моменты времени.
Поскольку свет от типичных галактик слишком слаб, чтобы его можно было увидеть, поскольку эти галактики находятся очень далеко от нас, а их излучение относительно слабое, коллаборация DESI также изучила более 400 000 чрезвычайно ярких объектов, называемых квазарами. Проходя через межзвёздное пространство, свет от этих объектов поглощается облаками газа и пыли, что помогает космологам картировать области плотной материи подобно тому, как это делается с галактиками.
Предварительный вывод о том, что тёмная энергия может эволюционировать со временем, был сделан на основе раннего анализа данных DESI в сочетании с данными из других космологических источников. Исследователи обнаружили, что модель изменяющейся тёмной энергии лучше согласуется с данными, чем стандартная модель. Следует отметить, что ни один набор данных сам по себе не раскрывает убедительно эволюционную природу тёмной энергии, но сигнал становится немного сильнее при объединении всех наборов данных.
«Это недостаточно сильное предпочтение, чтобы я мог сказать, что модель Lambda CDM ошибочна», — заявил Кайл Доусон, сопредседатель DESI в Университете Юты, в интервью Space.com. «На самом деле, мы никогда раньше не встречали отклонений от этой модели, имеющих хоть какое-то значение».
Однако, по словам Доусона, из предварительного анализа следует, что темная энергия переходит от роли мощного фактора ускорения нашей Вселенной к некоторому снижению ее роли.
«Если это правда, мы находимся на неизведанной территории», — сказал Браут. Сотрудничество DESI использовало вторую по простоте модель нашей Вселенной после Lambda CDM, ничем не примечательную, за исключением её способности помогать космологам выявлять отклонения от стандартной модели. Если будущие наблюдения действительно покажут, что тёмная энергия эволюционирует со временем, десятки других моделей также станут жизнеспособными, и космологам придётся проверять каждую из них по отдельности, сказал Браут.
Доказательства вращения Вселенной были недавно получены космическим телескопом имени Джеймса Уэбба (JWST), который обнаружил, что две трети галактик вращаются в одном направлении. Это говорит об отсутствии случайности и наличии предпочтительного направления космического вращения.
Вселенная, по-видимому, вращается, и если это так, то это может иметь серьёзные последствия для некоторых из важнейших вопросов науки, включая те, что перечислены выше. Так считает польский физик-теоретик Никодем Поплавский из Университета Нью-Хейвена, известный своей теорией о том, что чёрные дыры служат порталами в другие вселенные.
«Тёмная энергия — одна из самых интригующих загадок Вселенной. Многие исследователи пытались объяснить её, модифицируя уравнения общей теории относительности или предполагая существование новых полей, которые могли бы ускорить расширение Вселенной», — сказал Поплавски в интервью Space.com. «Было бы удивительно, если бы простое вращение Вселенной было источником тёмной энергии, особенно учитывая, что это предсказывает её ослабление».
Кроме того, Поплавски отметил, что другие астрономические данные, по-видимому, показывают, что угол между наиболее вероятной осью вращения галактик и осью основного потока близлежащих скоплений галактик составляет 98 градусов, то есть они практически перпендикулярны друг другу. Это соответствует гипотезе о вращении Вселенной.
Чтобы понять, почему вращающаяся Вселенная подразумевает существование более чем одной Вселенной, Поплавский обращается к «системам отсчёта». Это наборы систем координат, неотъемлемые от физики и позволяющие измерять движение и покой.
Представьте себе двух учёных, Терру и Стеллу. Каждый находится в своей системе отсчёта, но Терра находится на Земле, а Стелла — в космическом корабле, пролетающем мимо нашей планеты. Терра видит, как система отсчёта Стеллы (космический корабль) движется относительно её собственной (Земли), которая покоится. Стелла же видит свою систему отсчёта покоящейся, в то время как система отсчёта Терры движется по мере удаления Земли.
Расширение Вселенной из-за темной энергии, при этом галактики расширяются подобно точкам на поверхности надувающегося воздушного шара. Роберт Ли
Поплавский отметил, что если Вселенная вращается, то вращается и её система отсчёта, и это имеет смысл только в том случае, если она вращается относительно хотя бы одной другой системы отсчёта.
«Если Вселенная вращается, она должна вращаться относительно некой системы отсчёта, соответствующей чему-то большему», — продолжил он. «Следовательно, Вселенная не единственная; она — часть мультивселенной».
Смотрите также... Перед новым, 2026 годом, марсоход Curiosity почти завершил исследование горы Шарп Процесс адаптации космонавтов к земной гравитации после длительного пребывания в космосе |
По мнению Поплавского, самым простым и естественным объяснением происхождения вращения Вселенной является космология черных дыр.
Космология чёрных дыр предполагает, что каждая чёрная дыра создаёт новую дочернюю вселенную по ту сторону своего горизонта событий – односторонней поверхности, улавливающей свет и определяющей внешнюю границу чёрной дыры.
Теория заменяет центральную сингулярность в сердце чёрной дыры «кручением пространства-времени», которое порождает отталкивающую гравитацию, дающую толчок расширению новой вселенной.
«Поскольку все чёрные дыры образуются из вращающихся объектов, таких как вращающиеся звёзды или центры вращающихся галактик, они тоже вращаются», — сказал Поплавски. «Вселенная, рождённая во вращающейся чёрной дыре, наследует ось вращения чёрной дыры как свою предпочтительную ось».
Хронология вселенной и ее расширения зародилась в черной дыре. NASA/WMAP
Другими словами, наша Вселенная может вращаться в предпочтительном направлении, потому что именно в этом направлении вращается черная дыра, внутри которой она запечатана.
«Чёрная дыра становится мостом Эйнштейна-Розена, или «кротовой норой», из родительской вселенной в дочернюю вселенную», — пояснил Поплавски. «Наблюдатели в новой вселенной увидят другую сторону родительской чёрной дыры как первичную белую дыру».
Вместо открытия первичной белой дыры в нашей Вселенной, ведущей к нашей материнской чёрной дыре и прародительской Вселенной, наиболее веским доказательством этой космологии чёрных дыр является преимущественное направление, или «вращательная асимметрия», в нашей Вселенной. Это можно увидеть во вращательной асимметрии галактик.
«Движение отдельных галактик в этой молодой вселенной будет зависеть от её вращения», — сказал Поплавски. «Галактики будут стремиться выровнять свои оси вращения с предпочтительной осью вращения Вселенной, что приводит к наблюдаемой асимметрии вращения».
Астрономы уже начинают это замечать.
Конечно, это означает, что каждая чёрная дыра в нашей Вселенной — это портал в другой молодой космос. Эти молодые вселенные защищены от исследования горизонтом событий своих родительских чёрных дыр, который препятствует получению любого сигнала из недр чёрной дыры.
Аналогично, путешествие через этот космический портал было бы невозможным для начинающего «мультинавта» из-за огромной гравитации, окружающей чёрную дыру, которая вызвала бы приливные силы, способные «спагетировать » такого отважного исследователя.
Даже если бы такой мультинавт пережил путешествие, то, как ничто не может покинуть чёрную дыру, ничто не может проникнуть в белую дыру, а значит, у него не было бы ни возможности вернуться, ни возможности подать отчёт!
Но что еще хуже, нет никаких гарантий, что законы физики в дочерней вселенной будут такими же, как и в родительской, а это означает непредсказуемую судьбу и потенциально мучительную смерть для отважного мультинавта, способного преодолеть проход в черную дыру.
В любом случае, прежде чем мы бросимся исследовать другие вселенные, нам предстоит исследовать тайны и в нашей собственной Вселенной. И в первую очередь — таинственную силу тёмной энергии.
Темная энергия — условное название любой силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением. В настоящее время темная энергия доминирует во Вселенной, составляя 68% от общего количества космической материи-энергии. Однако так было не всегда.
В самую раннюю эпоху Вселенной в ней доминировала энергия Большого взрыва, что привело к ее инфляции. Когда Вселенная вступила в эпоху доминирования материи, управляемой гравитацией, эта инфляция замедлилась почти до остановки. На этом все должно было закончиться для космоса, но примерно через 9–10 миллиардов лет после Большого взрыва Вселенная снова начала расширяться, причем это расширение ускорялось, что привело к эпохе доминирования темной энергии.
Чтобы понять, почему это такая тревожная загадка, представьте, что вы слегка толкаете ребенка на качелях, наблюдаете, как его движение останавливается, а затем без всякой видимой причины он снова начинает качаться, и это движение становится все быстрее и быстрее.
Как будто тёмная энергия и без того была недостаточно странной, недавние результаты, полученные с помощью спектроскопического прибора для измерения тёмной энергии (DESI), показали, что эта загадочная сила ослабевает. Это, по-видимому, противоречит стандартной модели космологии или модели лямбда-холодной тёмной материи (LCDM), которая предполагает постоянство тёмной энергии (представленной космологической постоянной, или лямбда).
На иллюстрации показано, как материя вливается в чёрную дыру, пересекает мост Эйнштейна-Розена и выходит из белой дыры. Но появляется ли она в новой зарождающейся вселенной? Роберт Ли
Однако Поплавски предполагает, что вращающаяся Вселенная может как объяснить тёмную энергию, так и объяснить её ослабление.
«Тёмная энергия возникает из центробежной силы во вращающейся Вселенной в больших масштабах», — пояснил физик-теоретик. «Если бы Вселенная была плоской, центробежная сила действовала бы только в направлениях, перпендикулярных выбранной оси».
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Однако в космологической теории чёрных дыр Поплавского, поскольку Вселенная, созданная чёрной дырой, замкнута, движение в любом направлении в конечном итоге приведёт к возвращению с противоположной стороны.
Это означало бы, что центробежная сила, возникающая во вращающейся Вселенной, становится силой, действующей во всех направлениях от изначальной белой дыры, родительской вселенной.
«Величина этой силы пропорциональна квадрату угловой скорости Вселенной и расстоянию до белой дыры», — сказал Поплавский. «Это соотношение принимает форму силы, действующей на галактику со стороны тёмной энергии, которая пропорциональна космологической постоянной и расстоянию до белой дыры. Следовательно, космологическая постоянная пропорциональна квадрату угловой скорости Вселенной».
Иллюстрация нашей вращающейся Вселенной как части более обширной мультивселенной. Роберт Ли
Но как это может объяснить наблюдения DESI, которые, по-видимому, указывают на ослабление тёмной энергии?
«Поскольку момент импульса Вселенной сохраняется, он уменьшается по мере её расширения», — сказал Поплавски. «Следовательно, космологическая постоянная, являющаяся простейшим объяснением тёмной энергии, также должна уменьшаться со временем. Этот результат согласуется с недавними наблюдениями DESI».
Для дальнейшего подтверждения концепции Поплавского необходимы дополнительные данные о течении скоплений галактик и об асимметрии осей вращения галактик. Это поможет дополнительно подтвердить, что наша Вселенная вращается.
Кроме того, дополнительные данные о зависимости тёмной энергии от космических расстояний и хода времени в нашем космосе возрастом 13,7 миллиарда лет могут помочь подтвердить, связано ли ослабление тёмной энергии с уменьшением угловой скорости Вселенной.
«Следующим шагом в развитии этих идей является определение уравнения, описывающего уменьшение космологической постоянной, порождаемой угловой скоростью Вселенной, со временем, и сравнение этого теоретического предсказания с наблюдаемым уменьшением тёмной энергии», — заключил Поплавский. «Это исследование может включать поиск метрики, описывающей расширяющуюся и вращающуюся Вселенную».
Новая теория утверждает, что темная материя на самом деле сформировала Вселенную. Предполагается, что темная материя «слабо» взаимодействует с видимой Вселенной, но всегда ли это было так? Физики смоделировали инфлатон — теоретическое пространство, которое ученые используют для изучения периода сразу после Большого взрыва, — чтобы изучить эти взаимодействия. Возможно, взаимодействие темной материи с остальной частью Вселенной в этот период было более равномерным, чем взаимодействие видимой материи.
В рецензируемом исследовании группа учёных из Северо-Восточного университета заявила, что тёмная материя, возможно, сыграла гораздо большую роль в рождении нашей видимой Вселенной, чем мы думали. Это серьёзное заявление — физики в основном считали тёмную материю необъяснённой и относительно стабильной частью уравнения, а не активным участником, сформировавшим то, чем стала наша видимая Вселенная. Хотя учёные в целом согласны с тем, что тёмная материя очень и очень слабо связана с видимой Вселенной, эти исследователи задались вопросом: существует ли место, где они обе равноправны?
Интуитивно понятно, что тёмная материя (составляющая 95% современной Вселенной) должна была сыграть свою роль в Большом взрыве, положившем начало существованию нашего космоса, но подтвердить это доказательствами обманчиво сложно. На некоторых курсах математики и программирования вам рассказывают о «функции чёрного ящика»: вы вводите значение и смотрите, что получается, но никогда не видите наверняка, какой процесс происходит в середине, что и приводит к результату. Большой взрыв, возможно, является окончательной функцией чёрного ящика, и учёным остаётся лишь пытаться её реверсировать, используя всё более обоснованные гипотезы.
Большой взрыв. Флавио Коэльо
В своей работе докторант Цзиньчжэн Ли и профессор Пран Нат должны были смоделировать как Большой взрыв, так и ряд взаимодействий, чтобы методом обратного проектирования определить роль тёмной материи. Они проверили идею о том, что тёмный и видимый секторы связаны сильнее, чем мы думали, — что между тёмной и обычной материей может быть более сильная связь, чем ожидалось. В физике связь — это когда две частицы любого типа связаны одной из четырёх фундаментальных сил: гравитацией, электромагнетизмом, слабым взаимодействием или сильным взаимодействием. Когда вы добавляете в эту смесь тёмную материю и тёмную энергию, появляются также «слабые» взаимодействия, которые гораздо слабее, чем, скажем так, слабые.
Работа со слабыми взаимодействиями позволяет учёным рассматривать модели, отличные от Стандартной модели, чтобы попытаться объяснить Вселенную. Это похоже на подстановку 0,0001, чтобы не делить на ноль. И если бы вся тёмная материя была слабо связана с видимой Вселенной, это подкрепило бы идею о том, что видимая Вселенная оказывает огромное влияние на физику. Мы могли бы продолжать использовать стандартную модель, не испытывая каких-либо особенно тревожных отклонений в математической гармонии после того, как влияние тёмной материи будет фактически сведено к нулю.
Но что, если это было не всегда так? Что, если бы в, пожалуй, самый ключевой момент тёмная материя и видимая материя были связаны более «демократично» — достаточно прочно, чтобы обе стороны имели более сбалансированное влияние на то, что происходит во Вселенной?
Чтобы разобраться в этом, команда исследовала теоретическое пространство, называемое «инфлятоном», которое учёные используют для понимания и моделирования непостижимо быстрого расширения (или «инфляции») древнейшей Вселенной. Если мы перестанем предполагать, что тёмная материя участвовала лишь в слабой связи в инфлятоне, то внезапно в игру вступает совершенно новый параметр. «Скрытый сектор и видимые секторы могли бы демократически связываться с инфлятоном, — писала команда, — и в этом случае скрытый сектор и видимые секторы находились бы в тепловом равновесии к концу повторного нагрева», или к концу периода инфлятона.
Хотя эта идея может противоречить Стандартной модели, исследователи объясняют, что именно поэтому она должна заинтересовать учёных. «Анализ показывает, что включение скрытых секторов, которые появляются в различных моделях физики частиц за пределами Стандартной модели, и, следовательно, их включение будет иметь значение для точного описания физических явлений», — заключают они.
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
