В следующий раз, когда вы будете кушать кексик с ягодами, подумайте о том, что случилось с черникой в тесте по мере выпекания сладости. Черника лежала в одном месте, но по мере расширения булочки ягоды начали удаляться друг от друга. Если бы вы могли встать на одну ягодку, вы бы увидели, как все остальные удаляются от вас, но то же будет справедливо и для любой другой ягоды, которую вы выберете. В этом смысле галактики похожи на ягоды в кексе.
С момента Большого Взрыва Вселенная неустанно расширяется. Странный факт заключается в том, что нет единственного места, из которого расширяется Вселенная — скорее все галактики (в среднем) удаляются от других. С нашей точки зрения в галактике Млечный Путь будет казаться, что большинство галактик отходит от нас — как будто мы являемся центром нашей булочкоподобной вселенной. Но взгляните из любой другой галактики — и вид будет точно таким же.
Чтобы еще больше запутать вас, новые исследования показывают, что скорость расширения Вселенной может быть разной в зависимости от того, насколько далеко назад во времени вы заглядываете. Новые данные, опубликованные в Astrophysical Journal, указывают на то, что настало время пересмотреть наше понимание космоса.
Загадка Хаббла
Космологи характеризуют расширение Вселенной простым законом — законом Хаббла (названным в честь Эдвина Хаббла). Закон Хаббла — это наблюдение того, что более далекие галактики удаляются быстрее. Это значит, что близкие галактики двигаются относительно медленно.
Отношения между скоростью и расстоянием до галактики определяются «постоянной Хаббла» — 70 км/с/Мпк. Это значит, что галактика уходит на примерно 90 000 км в час на каждый миллион световых лет удаленности от нас.
Такое расширение Вселенной, когда ближайшие галактики удаляются медленнее отдаленных галактик, ожидается от равномерно расширяющегося космоса с темной энергией (невидимой силой, которая ускоряет расширение Вселенной) и темной материей (неизвестной и невидимой формы вещества, которого в пять раз больше обычного). Это же можно наблюдать и в кексе с ягодами.
История измерения постоянной Хаббла полна трудностей и неожиданных откровений. В 1929 году сам Хаббл считал, что ее значение должно быть порядка 600 000 км в час на миллион световых лет — примерно в десять раз больше, чем измеряется сейчас. Попытки точно измерить постоянную Хаббла на протяжении многих лет привели к непреднамеренному открытию темной энергии. Поиск информации об этом загадочном типе энергии, на которую приходится 70% энергии во Вселенной, вдохновил запуск лучшего космического телескопа в мире (на данный момент), названного в честь Хаббла.
Загвоздка в том, что результаты двух самых точных измерений не согласуются и не соотносятся между собой. Как только космологические измерения стали настолько точными, что показали значение постоянной Хаббла, стало очевидно, что это не имеет смысла. Вместо одного у нас есть два противоречивых результата.
С одной стороны, у нас есть новые точные измерения космического микроволнового фона – послесвечения Большого Взрыва – проделанные миссией «Планка», который измерил постоянную Хаббла как 67,4 км/c/Мпк.
С другой стороны, у нас есть новые измерения пульсирующих звезд в ближайших галактиках, также невероятно точные, которые измерили постоянную Хабла как 73,4 км/c/Мпк. Они ближе к нам во времени.
Оба этих измерения заявляют свой результат как корректный и очень точный. Расхождение измерений составляет порядка 500 км в час на миллион световых лет, поэтому космологи называют его «напряжением» между двумя измерениями – они как бы растягивают статистику в разные стороны, и она должна где-то схлопнуться.
Новая физика?
Как же она схлопнется? На данный момент никто не знает. Возможно, наша космологическая модель ошибочна. Видно, что вселенная расширяется быстрее ближе к нам, чем мы могли бы ожидать, отталкиваясь от более далеких измерений. Измерения космического микроволнового фона не измеряют локальное расширение, а делают это через модель – нашу космологическую модель. Она была чрезвычайно успешной в прогнозировании и описании многих наблюдаемых данных во Вселенной.
Поэтому, хотя эта модель может быть неправильной, никто не придумал простую убедительную модель, способную объяснить одновременно и это, и все, что мы наблюдаем. К примеру, мы могли бы попытаться объяснить это новой теорией гравитации, но тогда другие наблюдения не подходят. Или можно было бы объяснить это новой теорией темной материи или темной энергии, но тогда другие наблюдения не подойдут – и так далее. Поэтому, если это «напряжение» связано с новой физикой, она должна быть сложной и неизвестной.
Менее интересным объяснением будут «неизвестные неизвестные» в данных, вызванные систематическими эффектами, и более тщательный анализ однажды выявит тонкий эффект, который был упущен. Или это может быть просто статистическая случайность, которая исчезнет, когда будет собрано больше данных.
В настоящее время неясно, какое сочетание новой физики, систематических эффектов или новых данных разрешит эту напряженность, но что-то обязательно прояснится. Картина вселенной как расширяющегося кекса может быть неверной, и перед космологами стоит сложная задача подобрать другую картину. Если для объяснения новых измерений потребуется новая физика, тогда результат изменит наше представление о космосе.