Открытие в космологии ставит под сомнение однородность Вселенной — аномалия оказалась слишком сильной

В современной физике существует строгая иерархия знаний. Есть гипотезы, которые требуют проверки, есть теории, подтвержденные экспериментами, а есть фундаментальные принципы — аксиомы, на которых возводится все здание науки.

Фото: Freepik by Designed by Freepik

космос

Аномалия космического диполя ставит под сомнение стандартную модель Вселенной

Для космологии таким фундаментом служит Космологический принцип. Он постулирует, что на масштабах, превышающих 300 миллионов световых лет, Вселенная является однородной и изотропной. Это означает, что материя распределена в пространстве статистически равномерно, и у Вселенной нет выделенного центра, границ или привилегированного направления.

Именно это допущение позволяет физикам решать уравнения Общей теории относительности Эйнштейна для Вселенной как единого целого. Если Космологический принцип верен, сложнейшая геометрия пространства-времени упрощается до метрики Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера (FLRW). Именно в рамках этой метрики интерпретируются все наблюдательные данные: вычисляется возраст Вселенной, скорость её расширения и делается вывод о существовании темной энергии.

Однако обзорное исследование, опубликованное международной группой астрофизиков, ставит под сомнение корректность этого базового постулата. Анализ распределения миллионов далеких объектов — квазаров и радиогалактик — выявил статистическую аномалию, которая не вписывается в рамки стандартной модели Lambda-CDM. Речь идет об "аномалии космического диполя" — расхождении, которое при подтверждении потребует пересмотра всей физики Вселенной.

Проблема системы отсчета: относительно чего мы движемся?

В космическом пространстве отсутствует твердая поверхность или координатная сетка, относительно которой можно было бы измерить абсолютную скорость. Единственной доступной глобальной системой отсчета является реликтовое излучение (CMB) — остывшее тепловое свечение, оставшееся после эпохи рекомбинации, когда Вселенная стала прозрачной для света. Это излучение равномерно заполняет все пространство.

Наблюдения, проведенные спутниками COBE, WMAP и Planck, показали, что температура реликтового излучения на небесной сфере распределена неравномерно. В одном направлении (в сторону созвездия Льва) температура фона немного выше средней, а в противоположном (в сторону созвездия Водолея) — ниже. Эта характерная структура, разделяющая небо на "горячее" и "холодное" полушария, называется диполем реликтового излучения.

Стандартная космология интерпретирует этот диполь как чисто кинематический эффект. Поскольку Солнечная система вращается вокруг центра Галактики, а Млечный Путь движется в гравитационном поле Местной группы галактик, мы перемещаемся сквозь фотоны реликтового фона со скоростью примерно 369 километров в секунду. В направлении нашего движения длина волны встречных фотонов сокращается из-за эффекта Доплера (синее смещение, повышение температуры), а позади — удлиняется (красное смещение).

Если Космологический принцип верен, то эта "система покоя" должна быть универсальной. Земля должна двигаться с той же скоростью и в том же направлении не только относительно фотонов реликтового излучения, но и относительно всей совокупности материи во Вселенной — далеких галактик и квазаров.

Тест Эллиса-Болдуина

В 1984 году физики Джордж Эллис и Джон Болдуин разработали метод независимой проверки этого утверждения. Они теоретически обосновали, что движение наблюдателя сквозь однородное распределение источников света должно вызывать предсказуемые изменения в их видимой плотности на небесной сфере.

В основе теста лежат два релятивистских эффекта специальной теории относительности:

• Релятивистская аберрация: из-за движения наблюдателя видимые положения объектов смещаются вперед, по ходу движения. Это геометрический эффект, приводящий к тому, что концентрация объектов в передней полусфере кажется наблюдателю выше, чем в задней.
• Эффект Доплера: спектр объектов, находящихся по курсу движения, смещается в высокоэнергетическую область, что увеличивает их видимую яркость. Поскольку астрономические обзоры имеют технический предел чувствительности (они видят объекты только ярче определенного порога), в направлении движения наблюдатель зафиксирует больше тусклых объектов, которые из-за доплеровского усиления яркости преодолели порог детекции.

Таким образом, просто подсчитывая количество галактик в разных участках неба, астрономы должны обнаружить диполь материи. Согласно стандартной модели, этот диполь должен совпадать с диполем реликтового излучения. Ожидаемая амплитуда этого эффекта строго рассчитывается на основе известной скорости Солнечной системы (369 км/с) и спектральных характеристик наблюдаемых объектов.

Суть аномалии

В новом исследовании авторы объединили и проанализировали массивные каталоги данных, накопленные за последние 20 лет. В выборку вошли радиогалактики из обзора NVSS (National Radio Astronomy Observatory VLA Sky Survey) и квазары из инфракрасного каталога CatWISE, полученного космическим телескопом WISE. Выбор именно этих каталогов неслучаен: они покрывают почти все небо и содержат миллионы объектов.

В результате оказалось, что направление диполя материи совпадает с направлением диполя реликтового излучения (в пределах статистической погрешности), что подтверждает сам факт нашего движения. Однако амплитуда (величина) этого диполя оказалась значительно выше теоретических предсказаний.

Данные показывают, что контраст плотности галактик между "передней" и "задней" полусферами примерно в два раза больше, чем должно быть при скорости 369 км/с. Статистическая значимость этого отклонения превысила уровень 5 сигма. В физике элементарных частиц и астрофизике это критерий открытия. Вероятность того, что такой результат получен из-за случайной флуктуации данных, составляет менее одной миллионной доли. Это означает, что расхождение реально и требует физического объяснения.

Исключение систематических ошибок

Критики ранее указывали на возможные технические или локальные факторы, которые могли бы имитировать такой сигнал. Авторы обзора подробно рассматривают и методично отвергают эти возражения:

Локальные структуры: аномалия не может быть вызвана гравитационным влиянием близких к нам сверхскоплений галактик. Используемые каталоги содержат объекты на огромных расстояниях (среднее красное смещение квазаров z составляет 1,2). Это масштабы миллиардов световых лет, где, согласно теории, любые локальные неоднородности должны усредняться и исчезать.

Калибровка инструментов: эффект наблюдается в двух принципиально разных диапазонах электромагнитного спектра — радио и инфракрасном. Наблюдения проводились разными инструментами (наземными радиотелескопами и орбитальной обсерваторией), использующими разные методики сканирования неба и обработки сигнала. Совпадение результатов в столь разнородных данных практически исключает инструментальную ошибку.

Галактическое загрязнение: влияние пыли и звезд Млечного Пути было учтено с помощью специальных масок и алгоритмов, но сигнал диполя остался устойчивым даже при полном исключении плоскости нашей Галактики из анализа.

Фундаментальные следствия

Если аномалия космического диполя подтвердится в будущих, еще более точных обзорах, это поставит современную космологию перед необходимостью выбора одного из двух сценариев. Оба варианта требуют пересмотра устоявшихся теорий.

Сценарий 1: Существование масштабных потоков материи

Возможно, наша система отсчета, связанная с реликтовым излучением, не совпадает с системой отсчета материи. Это означало бы, что огромная область Вселенной, включающая наблюдаемую нами часть (размером в сотни миллионов световых лет), движется относительно общего фона с дополнительной скоростью. Такое явление, называемое "bulk flow", на столь гигантских масштабах противоречит предсказаниям стандартной гравитационной неустойчивости, описывающей формирование структур во Вселенной после Большого взрыва. Для объяснения такого потока потребовалось бы введение новых физических механизмов или полей в ранней Вселенной.

Сценарий 2: Нарушение изотропии Вселенной

Более радикальный вывод заключается в том, что Вселенная внутренне неоднородна или анизотропна на больших масштабах. Это прямой удар по метрике FLRW. Если пространство-время имеет более сложную структуру (например, описывается анизотропными метриками Бьянки или Лемэтра-Толмана-Бонди), то уравнения, которые мы используем для анализа космологических данных, некорректны.

Это имеет важное значение для проблемы темной энергии. Текущий научный консенсус о том, что расширение Вселенной ускоряется, базируется на наблюдениях сверхновых типа Ia. Интерпретация их яркости напрямую зависит от предполагаемой геометрии пространства.

Если допущение об однородности неверно, то наблюдаемое "ускорение" может быть артефактом упрощенной теоретической модели, а не следствием существования таинственной энергии вакуума. В таком случае, параметры стандартной модели Lambda-CDM, включая плотность темной энергии и темной материи, могут быть вычислены с существенной ошибкой.

Глядя наперед

Сейчас космология находится в состоянии так называемого "напряжения". Аномалия диполя — не единственная проблема; существует также широко обсуждаемое расхождение в измерениях постоянной Хаббла, известное как Напряжение Хаббла (разные методы измерения скорости расширения Вселенной дают разные результаты). Совокупность этих фактов указывает на то, что модель Lambda-CDM, несмотря на свои предсказательные успехи, является лишь приближением к более глубокой физической истине.

Окончательный вердикт будет вынесен в ближайшем десятилетии. Готовятся к запуску и выходу на полную мощность инструменты нового поколения:

Космический телескоп Euclid (ESA) и наземная обсерватория Vera C. Rubin (проект LSST) проведут глубокие оптические и инфракрасные обзоры, построив трехмерную карту распределения миллиардов галактик. Это позволит провести томографию диполя — измерить его параметры в зависимости от расстояния (красного смещения) с высокой точностью.

Гигантский радиоинтерферометр SKA (Square Kilometre Array), строительство которого ведется в Австралии и Южной Африке, обеспечит радиообзор всего неба с беспрецедентной чувствительностью. Это позволит исключить любые остаточные калибровочные неопределенности.

Если эти данные подтвердят, что материя и излучение движутся в разных ритмах или что Вселенная имеет выделенное направление, физикам придется заново переписывать уравнения, описывающие рождение, эволюцию и будущее нашего мира. Простота Космологического принципа может оказаться тем, что мы накладываем на природу, а не тем, что ей действительно свойственно.