Ускоренное расширение Вселенной может объясняться эффектом НИИЧАВО

Некоторые части Вселенной внутри больше, чем кажется астрономам, рассматривающим их снаружи, полагает новая теория.

Когда в конце 1990-х астрономы убедились, что окружающая нас Вселенная расширяется с ускорением, наиболее логичной гипотезой, объясняющей это, была признана тёмная энергия — некая космологическая константа, неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной и заставляющая её расширяться. Альтернативное объяснение, такое как модифицированные законы гравитации, так и не завоевало большинства физиков. И казалось, что так будет и впредь. А нынче мы наблюдаем очередную попытку решить проблему ускоренного расширения третьим путём, посредством принципиально отличающегося подхода.

Группа учёных во главе с Сикси Раасааненом (Syksy Räsänen) из Хельсинкского университета (Финляндия) считает, что наблюдаемое ускорение расширения в действительности может быть результатом наличия в пространстве-времени регионов, которые изнутри больше, чем кажутся снаружи, — что-то вроде НИИЧАВО или палатки, в которой Гарри Поттер и Ко прятались от пожирателей смерти.

Так ли уж необходима тёмная энергия для объяснения ускорения расширения Вселенной? И есть ли в действительности само это ускорение? (Иллюстрация Shutterstock.)

Чем авторов работы не устраивает тёмная энергия (ТЭ), понятно: эта теория непроста в смысле фальсифицируемости, ибо расчётная плотность ТЭ так мала, что в обозримом будущем её никак не измерить в лаборатории. То есть нельзя будет уверенно сказать, верна ли эта идея. Кроме того, отрицательное давление ТЭ должно порождать отталкивание, антигравитацию — нечто, что пока в природе не фиксировалось. Да и теоретические предсказания величины ТЭ настолько не совпадают с наблюдаемым на практике, что даже говорить неудобно. И на столь фрагментарно понимаемое явление вы предлагаете спокойно списать три четверти массы (иначе ускоренного расширения не получилось бы), что есть во Вселенной?

Идеи г-на Раасаанена и соавторов начинаются с геометрии пространства. Метрика Фридмана — Леметра, принятая в сегодняшней космологии и точно соответствующая эйнштейновским уравнениям, описывает строго гомогенную и изотропную Вселенную, которая может или расширяться, или сжиматься. В итоге наблюдатель, живущий в такой Вселенной, просмотрев в любую сторону, увидит в принципе одно и то же. А как же звёзды, планеты, галактики и их скопления, спросите вы? Объясняется это так, что на расстояниях, превышающих несколько миллиардов световых лет, все эти мелкие неоднородности неразличимы. И, следовательно, речь идёт лишь о статистических флуктуациях в распределении материи.

Исследователи прибегли к уже освещавшейся в «КЛ» модели «швейцарского сыра», то есть ко Вселенной, в которой налицо метрика Фридмана — Леметра, но есть случайные «дырки в сыре» — пустоты, делающие пространство-время неоднородным на масштабах менее миллиардов световых лет, — точно как в том мироздании, которое нас окружает.

Но что делать с дырками? Как-то неэстетично выйдет, если Вселенная — и вдруг с дырками. Да и с физической точки зрения совсем уж пустые места выглядят странно. Поэтому в «дырках», считают учёные, есть «пробки», заполненные пылью — в точном соответствии с эйнштейновскими уравнениями.

В модели команды г-на Раасаанена пространственные компоненты по мере возникновения и развития пространства-времени — то есть практически всё время после Большого Взрыва — по сути, сворачиваются «на себя». В итоге такого «складывания» длина пути, проходящего через «пробку», в модели растёт, хотя внешние размерения региона пространств, в котором находится «пробка», не меняются. Более того, для некоторых «пробок» моделирование показало рост пути, проходящего через них на протяжении всей жизни Вселенной.

Исследователи называют такие «пробки» ТАРДИС (напомним: это машина времени / космический корабль из британского телесериала «Доктор Кто»). В нашем культурном пространстве это явление можно соотнести скорее с НИИЧАВО — причём таким, где некоторые помещения по мере развития института увеличиваются в объёмах. Пространство, содержащее ТАРДИС-сектора, они называют пространством-временем ТАРДИС.

Что случается с ТАРДИС-секторами при росте Вселенной? Из-за гравитации регионы неоднородного пространства-времени, имеющие бóльшую плотность материи, будут расширяться медленнее, чем менее плотные, поскольку сила тяжести, удерживающая вместе менее плотные области, будет слабее, чем там, где материи больше.

Следовательно, ТАРДИС-сектора расширяются быстрее, чем окружающее пространство, заполненное пылью, однако снаружи кажется, что их видимые размеры не меняются.

ОК, только не очень ясно, как из этого вытекает иллюзия ускоряющегося расширения Вселенной, не так ли? Между тем напрямую: когда наблюдатель (мы) смотрит на удалённый от него уголок Вселенной, он видит его через пространство «швейцарского сыра», дырки в котором набиты такими вот ТАРДИС-пробками. Чем дальше объект, наблюдаемый нами с Земли, тем больше таких пробок между нашими глазами и объектом.

В итоге тот путь, который приходится проделать свету, идущему от квазара, условно говоря, в миллиарде световых лет до нас, быстро становится куда больше, чем один миллиард светолет. То есть расширение Вселенной будет казаться ускоряющимся — даже без какой бы то ни было тёмной энергии.

Одномерным аналогом «пробки» (ТАРДИС-сектора пространства) может служить эта линия. После некоторого периода расширения Вселенной её собственная реальная внутренняя длина становится много больше, чем прямая, которую внешний наблюдатель проведет между её началом и концом, измеряя кажущуюся ему длину объекта. На графиках: по мере развития Вселенной ТАРДИС-сектора резко растут в размерах, хотя снаружи так не кажется. (Иллюстрация S. Räsänen et al.)

Вот и прокололась теория, скажут нам подкованные «КЛ»-комментаторы. Вселенная-то, по современным данным, сначала не расширялась с ускорением, ибо такой характер её расширение обрело буквально в последние миллиарды лет. Впрочем, учёные провели моделирование, в котором ТАРДИС-секторов много, но они относительно невелики (на фоне общих размеров мироздания), то есть перед нами уже не столько швейцарский сыр, сколько какой-нибудь «Российский». В таком случае вначале будет казаться, что малые ТАРДИС-сектора расширяются примерно с той же скоростью, как затопленное пылью пространство между ними. Однако со временем ТАРДИС-регионы будут расширяться быстрее, чем «сыр» (пространство между ними) в целом. И когда-нибудь они займут куда бóльшую часть пространства между земным наблюдателем и любым удалённым объектом, создавая оптическую видимость того, что расширение Вселенной на протяжённых дистанциях показывает значимое ускорение.

Преимущество гипотезы очевидно: она объясняет всё видимое глазом без привлечения неких невидимых и смутно понятных явлений, таких как тёмная энергия. Недостатки тоже ясны: как и тёмную материю, ТАРДИС-регионы не измерить линейкой ни сейчас, ни потом. Одно можно сказать точно: современная физика обрела способ объяснения эволюции Вселенной без тёмной энергии.

С препринтом работы можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Gizmag. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.