Прошло уже более 25 лет с тех пор, как астрономы открыли и удивились тому, что собой представляет большая часть Вселенной. Доминирующим видом энергии в нашей Вселенной является не свет, не обычная материя, не нейтрино и даже не тёмная материя. Вместо этого, около 2/3 от общего энергетического баланса Вселенной составляет таинственная форма энергии — тёмная энергия. Как показывают сверхновые, барионные акустические колебания, реликтовое излучение (РИ) и другие ключевые исследования Вселенной, тёмная энергия доминирует во Вселенной уже около 6 миллиардов лет, вызывая не только расширение нашей Вселенной, но и ускорение этого расширения, в результате чего отдалённые галактики с течением времени удаляются от нас со всё большей и большей скоростью.
Но может ли всё это быть основано на ошибочном предположении? Может, тёмной энергии вообще не существует, а виновником происходящего является неровная, крайне неоднородная Вселенная, как утверждает одно из недавних исследований? Именно об этом читатели моего блога спрашивают, например:
«Является ли модель космической экспансии, т.н. „космология временных ландшафтов“, серьёзной угрозой для существования тёмной энергии?
Считаете ли вы гипотезу временного пространства космической экспансии достоверной? Если да, то не создаст ли это проблему с наблюдениями, согласно которым геометрия Вселенной в среднем является плоской?
Модель предполагает, что часы в Млечном Пути будут работать примерно на 35 процентов медленнее, чем такие же часы в среднем положении в больших космических пустотах, что означает, что в пустотах прошло бы на миллиарды лет больше... 35% — это, на мой взгляд, очень много».
Хотя речь идёт об относительно новом исследовании, сама идея довольно старая. И оказывается, она сталкивается с колоссальными проблемами, если сопоставить её не только с данными о сверхновых, но и с тем, что уже известно о крупномасштабной структуре Вселенной. Давайте разбираться.
Первое, что нужно понять, это различие между нашей местной картиной и космосом в целом. Неподалёку от нас есть несколько чрезвычайно плотных по сравнению со средней плотностью космоса объектов (такие как планеты, звезды и галактики). При этом большая часть космоса полностью лишена таких объектов (если брать межпланетное, межзвёздное или межгалактическое пространство). На самом деле, в больших, космических масштабах Вселенная очень, очень однородна.
Если бы вы взяли половник и «окунули» его внутрь звезды или планеты, вы смогли бы вытащить вещество с плотностью, примерно равной плотности воды: 1 грамм на кубический сантиметр.
Но если бы ваш половник был огромным, например, 10 миллиардов световых лет в диаметре, вы бы обнаружили, что независимо от того, окунули ли вы его в:
ультраплотное скопление галактик,
ультраразреженную космическую пустоту,
или где-то между ними,
то средняя плотность того, что вы извлекли, будет почти одинаковой: с общей энергией, равной примерно одному протону на кубический метр пространства. Несмотря на то, что разница между областями с пониженной и повышенной плотностью (то, что профессионалы называют «контрастом плотности») огромна в небольших космических масштабах, с типичными значениями, приближающимися к коэффициенту ~1030, в самых больших космических масштабах эти различия в плотности составляют порядка ~0,01% или менее 1 части на 10 000.
Мы не можем измерить это, выбирая изолированные, случайные «точки» Вселенной. Нельзя брать только:
самые яркие, самые массивные галактики в крупнейших скоплениях галактик,
распределение гамма-всплесков,
распределение квазаров,
или распределение катаклизмов, таких как отдельные сверхновые типа Ia,
и ожидать, что вы получите «справедливую выборку» Вселенной.
Вместо этого, наши лучшие инструменты для измерения того, насколько однородна (т. е. равномерна) или неоднородна (например, комковатая или бугристая) Вселенная, действуют двумя путями.
Мы можем начать отсюда, с нашего местоположения, и измерить, как галактики — большие и маленькие, с большой и малой массой, яркие и тусклые и т. д. — распределены в пространстве во всех космических масштабах. Используя это, мы можем построить «карту массы/плотности» Вселенной не только в ближайшем окружении, но и во всех точках на протяжении всей космической истории.
Или мы можем начать с самого начала — с колебаний, вызванных инфляцией, — и развивать их во времени, пока не достигнем реликтового излучения, а затем сравнить нашу карту неоднородности того времени (которую мы наблюдаем) с этими теоретическими предсказаниями.
Неудивительно, что мы сделали именно это с помощью обоих методов. Что касается второго варианта, в 2010-х годах мы получили наши лучшие на сегодня данные от спутника Planck и обнаружили, что «среднее колебание плотности» в ранней Вселенной было примерно одинаковым во всех масштабах, больших и малых, и составляло всего 1 часть из 30 000. Мы проверили это первым методом и обнаружили значение, которое не только согласуется со вторым, но и показывает, как структура растёт и сгущается в течение космического времени: практически во всех масштабах это полностью согласуется с тем, что предсказывают симуляции и теория.
Кроме того, многие миссии, запланированные на ближайшее будущее (обсерватория Vera Rubin, телескоп Нэнси Роман и миссия SPHEREx), будут измерять космическую структуру с большей точностью. Они наверняка подтвердят предположения, которые позже оправдались: что Вселенная в самых больших космических масштабах невероятно однородна и равномерна.
Именно эти факты оправдывают наши давние космологические модели: Вселенная везде примерно одинакова (однородна) и во всех направлениях (изотропна), с лишь небольшими, поддающимися количественной оценке несовершенствами, наложенными на этот однородный фон. Вселенная родилась однородной, затем сгруппировалась и сконцентрировалась, и, несмотря на всё, что произошло, остаётся относительно однородной в самых больших космических масштабах.
Если мы работаем со Вселенной, обладающей этими свойствами, то единственный способ привести в соответствие наблюдения и теорию — это задействовать ещё два компонента, которые мы пока не можем наблюдать напрямую, но которые должны присутствовать во Вселенной. В дополнение к «обычной материи» (которая включает в себя знакомые нам протоны, нейтроны и электроны), свету (излучению в виде фотонов) и нейтрино (которые являются частью Стандартной модели известных частиц), должно существовать также большое количество тёмной материи, масса которой превышает массу обычной материи примерно в 5 раз, а также тёмная энергия, которая составляет примерно вдвое больше плотности энергии всех других форм массы/энергии (включая тёмную материю) вместе взятых.
Это наша стандартная модель космологии, которая выдержала бесчисленные испытания на протяжении всего 21 века.
Тем не менее, важно продолжать бросать вызов существующему положению вещей и исследовать альтернативы, поскольку идея попытки опровергнуть даже самые устоявшиеся теории и гипотезы является ключевым компонентом научной деятельности. Одной из таких альтернатив, которая вызвала большой резонанс в конце 2024 года (и продолжает его вызывать в начале 2025 года), является космология временных ландшафтов [timescape cosmology], разработанная Дэвидом Уилтширом из Новой Зеландии. В новой статье (и сопровождающем её пресс-релизе) утверждается, что тёмная энергия не обязательно должна существовать, и что огромные различия в плотности энергии между областями космоса создают «неровную» Вселенную, которая демонстрирует совершенно разные темпы расширения и космический возраст в различных областях космоса.
Если эта модель верна, то с ней вместе должно существовать множество новых явлений.
Вселенная должна была бы быть очень неоднородной, а относительно «заполненные» и «пустые» области пространства, которые мы обнаруживаем, отличались бы друг от друга не на ~0,01% по плотности, а скорее на ~100% от области к области.
Из-за гравитационного замедления времени возраст соседних областей различался бы не на сотни или тысячи лет (сравните возрастом Вселенной, 13,8 миллиардов лет), а на целые миллиарды лет.
Вместо тёмной энергии, которая вызывает ускорение расширения Вселенной, эти крупные неоднородности сильно изменяют локальную скорость расширения, создавая области, где скорость расширения либо намного больше, либо намного меньше, чем космическое среднее значение в целом.
Как отмечают многие, в том числе такие уважаемые мной астрофизики, как Брайан Коберлейн и Дэвид Киппинг, это заявление из катего��ии «круто, если это правда».
Но правда ли это?
Как утверждают авторы, если использовать сверхновые типа Ia в качестве ориентиров, то можно обнаружить, что как стандартная модель космологии (которую мы иногда называем ΛCDM, или известная нам Вселенная, богатая тёмной материей и тёмной энергией, но в основном однородная), так и космология временных ландшафтов работают одинаково хорошо, и что будущие исследования с использованием гораздо большего числа сверхновых типа Ia позволят провести различие между этими двумя моделями.
К сожалению, для авторов и для всех, кто согласен с их утверждениями, это не лучшие ориентиры из всех, что нам доступны. Лучшей испытательной площадкой для этого сценария будет изучение структуры, сформированной во Вселенной на всех масштабах, и тестирование и измерение того, насколько она на самом деле однородна или неоднородна.
Затем, на основе наблюдаемого уровня неоднородности, мы можем смоделировать:
насколько значительно эти космические неоднородности влияют на общую плотность энергии,
какое влияние эта «энергия неоднородности» фактически оказывает на расширяющуюся Вселенную (т. е. ведёт ли она себя как излучение, материя, кривизна, тёмная энергия и т. д.),
и как эта энергия эволюционирует со временем – чтобы понять, может ли она имитировать или повторять эффекты тёмной энергии.
К счастью для всех нас, это не план на будущее – эту работу проделала значительная часть астрофизического сообщества (в том числе и я лично) около 20 лет назад.
Ещё в 2005 году группа астрофизиков (Рокки Колб, Тони Риотто, Сабино Матарезе и Алессио Нотари) выдвинула версию этой самой идеи: тёмной энергии не существует, а влияние неоднородной энергии на Вселенную заставляет нас видеть скорость расширения, которая отличается от наших прогнозов. Астрофизическое сообщество довольно быстро пришло к выводу, что это не может быть правдой. Вот как мы это поняли.
В уравнениях существуют как гравитационные потенциальные члены (из-за гравитационного коллапса/сжатия), так и кинетические члены (поскольку материя находи��ся в движении), они играют свою роль и их необходимо рассчитать. После выполнения этих расчётов — не только с приближением первого или второго порядка, но и с учётом полностью нелинейных неоднородностей — появляется ряд выводов.
Оказывается, неоднородности, как функция плотности энергии, всегда остаются небольшими: не более ~0,1% (или 1 часть из 1000) от общей плотности энергии в любой момент времени, даже через многие миллиарды лет в будущем.
Также выясняется, что существует «ключевой масштаб», в котором возникают наибольшие вклады: в масштабах от нескольких сотен тысяч до примерно десяти миллионов световых лет. Как более крупные, так и более мелкие космические масштабы, даже включая масштабы сверхгоризонта, вносят меньший вклад.
И, наконец, оказывается, что неоднородности никогда не ведут себя так, как ведёт себя тёмная энергия, и их уравнение состояния всегда способствует замедлению Вселенной, а не её ускорению.
Заключительные предложения из моей статьи 2005 года, которой уже 20 лет, остаются чрезвычайно актуальными, особенно в связи с работой Уилтшира и вниманием, которое она привлекает. В частности:
«Возможность того, что известный компонент Вселенной может быть ответственен за ускоренное расширение, остаётся интригующей. Однако мы пришли к выводу, что субгоризонтальные возмущения не являются жизнеспособным кандидатом для объяснения ускоренного расширения Вселенной».
Есть ещё кое-что, на что стоит обратить внимание тем из вас, кто не является экспертом, а просто интересуется этой темой: Дэвид Уилтшир, ведущий сторонник космология временных ландшафтов, исследует именно этот тип «альтернативы тёмной энергии» с тех пор, как эта идея была впервые предложена (и опровергнута) в 2005 году. Вот несколько примеров статей:
статья 2005 года предлагает использовать сверхновые типа Ia, чтобы доказать отсутствие тёмной энергии,
статья 2007 года, в которой предлагается, что различия в гравитационной энергии приводят к иллюзии космического ускорения,
статья 2011 года, в которой снова предлагается, что гравитационная энергия имитирует тёмную энергию и приводит только к кажущемуся ускорению,
статья 2011 года, в которой опровергается гипотеза однородной вселенной и поддерживается новая «космология временного пространства»,
статья 2017 года, в которой делается попытка доказать, что ускорение Вселенной является лишь кажущимся явлением, наблюдаемым на примере сверхновых типа Ia,
и три недавние статьи, в которых отстаивается та же концепция: тёмная энергия не является реальной, а лишь представляет собой кажущийся эффект, вызванный обратной реакцией космических неоднородностей.
Несмотря на то, что сегодня мы располагаем лучшими данными по сверхновым типа Ia, чем когда-либо прежде, это «новое исследование» является лишь продолжением давней исследовательской программы, которая изучает, но никоим образом не доказывает и не подтверждает альтернативную идею. Эти идеи важны, но консенсус — по крайней мере, на данный момент — заключается в том, что наше понимание крупномасштабной структуры исключает физическую значимость этого явления для нашей Вселенной.
Подводя итог: да, наша Вселенная не является идеально однородной и гладкой, а на самом деле неровная и комковатая. Она родилась с небольшими несовершенствами и неоднородностями, и со временем эти несовершенства превратились в огромную космическую паутину, в которой находятся галактики, звезды, планеты, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Некоторые области действительно имеют огромную плотность, а другие — очень низкую.
Но Вселенная не настолько неровная и неоднородная, чтобы отбросить наши основополагающие предположения о ней — что она изотропна и однородна в самых больших масштабах. Доказательства этих свойств Вселенной очень весомы, как и доказательства того, что Вселенная имеет одинаковый возраст и (примерно) одинаковую наблюдаемую скорость расширения во всех направлениях и во всех точках. За развитием Вселенной мы следим благодаря одному простому факту: заглядывать в глубины космоса означает смотреть дальше в прошлое.
Я ожидаю, что несколько избранных исследователей будут и далее проявлять интерес к космологии временных ландшафтов, но она не получит более широкого признания на основе этих исследований. Здорово, что авторы предложили для своей теории космологический тест, но правда заключается в том, что существование тёмной энергии в настоящее время основано на широком и надёжном наборе доказательств, который настолько всеобъемлющ, что даже если бы мы полностью игнорировали все данные о сверхновых типа Ia, мы всё равно были бы вынуждены прийти к выводу о существовании тёмной энергии. Важно быть открытым для новых идей, но всегда позволять реальности сдерживать себя. Как и многие новые идеи, космология временных ландшафтов не выдерживает столкновения с полным набором космологических доказательств.
