Новое исследование показывает, что Вселенная может быть гораздо менее «однородной и симметричной», чем люди долгое время предполагали. Этот вывод подрывает основную предпосылку стандартной космологической модели, представленной «ΛCDM» (Λ-холодной темной материей). В течение многих лет научное сообщество в целом принимало так называемый «космологический принцип», то есть в достаточно большом масштабе Вселенная примерно одинакова во всех направлениях и распределение материи в целом однородно; Модель ΛCDM основана на этом предположении, в котором «Λ» представляет собой загадочную «темную энергию», которая, как полагают, является движущей силой ускоренного расширения Вселенной, а «CDM» относится к холодной темной материи, которая движется со скоростью, намного меньшей, чем скорость света. Однако новые данные указывают на другую возможность: Вселенная может быть «перекошенной» и «асимметричной» в больших масштабах.
Ядром этого противоречия является так называемая «космическая дипольная аномалия». Чтобы понять это, мы должны начать с космического микроволнового фонового излучения (CMB) — слабого остатка излучения, оставшегося, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить фотонам свободно путешествовать примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Он считается одним из наиболее важных наблюдательных краеугольных камней современной космологии. В целом реликтовое излучение чрезвычайно однородно, но существуют очень тонкие температурные колебания, которые называются «анизотропией». Самый важный из них — «дипольная анизотропия»: с одной стороны небо немного теплее, с другой — немного прохладнее. Долгое время ученые интерпретировали это изображение как движение Солнечной системы относительно «неподвижной системы отсчета» Вселенной, в результате чего возникает разница температур, подобная эффекту Доплера.
Если это объяснение верно, то распределение материи в чрезвычайно далеких галактиках и квазарах также должно демонстрировать дипольную картину, подобную реликтовому излучению. Эта идея была предложена космологами Джорджем Эллисом и Джоном Болдуином в 1980-х годах и позже получила название «тест Эллиса-Болдуина». Согласно ожиданиям стандартной модели, направление и интенсивность диполя распределения материала должны совпадать с диполем реликтового излучения и быть вполне постоянными. Однако новые исследования показали, что, хотя направления действительно в целом совпадают, существует серьезное несоответствие в «величине»: дипольная сила, наблюдаемая в распределении удаленной материи, намного превышает предсказания существующих космологических моделей.
Чтобы глубже изучить эту разницу, исследовательская группа проанализировала данные более чем 1,4 миллиона квазаров и около 500 000 радиоисточников. Результаты показали, что статистическая значимость этого аномального сигнала превысила стандарт 5σ («Пять сигм») — а это означает, что вероятность того, что это чисто случайное совпадение, крайне низка, примерно одна на 3,5 миллиона. В области физики элементарных частиц и космологии 5σ обычно считается порогом «открытия». Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) также принял тот же стандарт, когда объявил об открытии бозона Хиггса. Профессор Субир Саркар из Оксфордского университета, соавтор исследования, прямо заявил: «Эту проблему больше нельзя игнорировать. Достоверность самого показателя FLRW теперь сомнительна!»
Так называемая метрика FLRW, названная в честь четырех ученых Фридмана, Леметра, Робертсона и Уокера, является математической основой для описания расширяющейся Вселенной в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Эта метрика также основана на предпосылке о том, что «Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах» и является основой стандартной космологической модели ΛCDM. Если наблюдения в конечном итоге подтвердят, что Вселенная систематически асимметрична в больших масштабах, то общая структура Вселенной, описанная на основе гипотезы FLRW, может больше не быть точной.
Это не просто вопрос математических хитростей, но и напрямую влияет на статус таких ключевых понятий, как «темная энергия». Текущая стандартная модель полагает, что темная энергия составляет около 70% от общей энергии Вселенной и является ключевым фактором в объяснении ускоренного расширения Вселенной. Однако темная энергия пока остается на уровне «гипотезы» и не подтверждена прямыми физическими экспериментами. Если Вселенная сама по себе не является по-настоящему изотропной, то некоторые наблюдения, интерпретируемые как «доказательства темной энергии», скорее всего, основаны на неправильных предположениях о геометрии и крупномасштабной структуре Вселенной, а не на каком-то дополнительном физическом компоненте. Исследователь Себастьян фон Хаузеггер отметил: «Если бы в изотропной системе отсчета реликтового излучения само далекое небесное тело не было изотропным, это было бы прямым нарушением принципов космологии... Это означает, что нам придется вернуться к исходной точке и начать все сначала».
Интересно, что по сравнению с проблемой «напряжения Хаббла», которая широко обсуждалась в глазах общественности, «космической дипольной аномалии» до сих пор уделялось гораздо меньше внимания. Так называемое напряжение Хаббла относится к очевидному расхождению между двумя основными наборами методов измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла): значение, оцененное на основе сигналов ранней Вселенной, таких как реликтовое излучение, значительно ниже, чем оценка «поздней Вселенной», основанная на наблюдениях близлежащих сверхновых и галактик. Но главная проблема напряженности Хаббла заключается в точном значении скорости расширения Вселенной; Напротив, эта дипольная аномалия указывает на более фундаментальный вопрос: действительно ли Вселенная «статистически однородна» в самом большом масштабе.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет ряд крупных проектов астрономических наблюдений предоставят ключевые доказательства этого противоречия. Спутник Европейского космического агентства «Евклид» составляет карту трехмерного распределения миллиардов галактик для изучения темной энергии и крупномасштабной структуры Вселенной. Миссия НАСА SPHEREx просканирует все небо в инфракрасных волнах в поисках ключей к образованию галактик и происхождению космической структуры. Обсерватория Веры К. Рубин в Чили продолжит сканировать южное небо для изучения темной материи и различных переходных небесных явлений; а Square Kilometer Array (SKA), очень большой радиотелескоп, построенный в рамках международного сотрудничества, будет анализировать крупномасштабную структуру Вселенной с беспрецедентной чувствительностью. В то же время ожидается, что новые методы, такие как машинное обучение, помогут ученым построить новые космологические модели, которые смогут объяснить эти «аномальные наблюдения».
На данный момент самым важным сигналом этого исследования является то, что Вселенная может быть гораздо более сложной, чем мы думали, и что она может быть не такой простой, симметричной и однородной. Если последующие наблюдения подтвердят эти выводы, людям придется не только пересмотреть текущую стандартную космологическую модель, но, возможно, даже переписать все понимание роли темной энергии в эволюции Вселенной.