Поиск точного значения постоянной Хаббла — скорости расширения нашей Вселенной — занимал поколения астрономов, и в конечном итоге два независимых метода сузили погрешность до беспрецедентного уровня. Однако результаты этих вычислений категорически не согласуются друг с другом, что ставит под сомнение базовые космологические представления о мироздании. В этом материале ведущий научно-популярного канала PBS Space Time разбирается, почему возник знаменитый «кризис в космологии» и какие пробелы в понимании физики Вселенной он обнажил.
🌌 Великая погоня за постоянной Хаббла 0:02
В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил первое неопровержимое доказательство того, что за пределами Млечного Пути существуют другие галактики. Измерив расстояния до спиральных туманностей, он обнаружил, что они находятся в миллионах световых лет от нас. Объединив свои данные с измерениями скоростей доплеровского смещения, выполненными Весто Слайфером, Хаббл обнаружил поразительную закономерность: галактики не просто удаляются от нас, но делают это со скоростью, пропорциональной их удалению.
Так человечество узнало, что Вселенная не только невообразимо огромна, но и непрерывно расширяется. Галактики разлетаются, поскольку расширяется само разделяющее их пространство. Темп этого процесса ученые выражают одним числом, известным как постоянная Хаббла ($H_0$).
Как отмечает ведущий, знание точной скорости расширения в сочетании с гравитационным воздействием материи и энергии позволяет восстановить всю историю эволюции космоса — от Большого взрыва до его финального финала. Долгое время астрономы могли лишь приблизительно оценивать значение $H_0$ в диапазоне от 50 до 100 км/с на мегапарсек (км/с/Мпк). Один мегапарсек эквивалентен примерно 3,3 миллиона световых лет. Таким образом, если бы постоянная равнялась 75 км/с/Мпк, это означало бы, что на каждый мегапарсек расстояния скорость удаления галактики увеличивается на 75 км/с.
🪜 Космическая лестница расстояний и метод SHOES 3:14
Для вычисления постоянной Хаббла необходимо знать две вещи: скорость удаления галактики и точное расстояние до нее. Если первую величину узнать относительно легко с помощью измерения красного смещения световых волн, то определение точных космических расстояний всегда оставалось сложной задачей.
Эдвин Хаббл использовал для этого переменные звезды — цефеиды. Как обнаружила астроном Генриетта Ливитт, период пульсации этих гигантских звезд строго связан с их истинной яркостью. Измеряя периоды цефеид в других галактиках, ученые получают их абсолютную светимость, что позволяет рассчитать расстояние до них. Такие объекты называют «стандартными свечами».
Однако этот пошаговый метод, получивший название «космической лестницы расстояний», имеет уязвимость: погрешности на каждой ступени неизбежно накапливаются. Со временем астрономы нашли более дальнодействующие стандартные свечи — сверхновые типа 1a. Они вспыхивают, когда древние белые карлики поглощают слишком много вещества своих звезд-компаньонов, что приводит к термоядерному взрыву с предсказуемой пиковой яркостью. В 1990-х годах, используя эти сверхновые, ученые неожиданно обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется под воздействием загадочной темной энергии.
Один из лауреатов Нобелевской премии за это открытие, Адам Рисс, возглавил проект SHOES (Supernova H0 for the Equation of State). Команда проекта использовала космический телескоп «Хаббл», чтобы сопоставить старые наблюдения за сверхновыми с новыми, более надежными данными по цефеидам. Благодаря калибровке этой ступени лестницы расстояний, команда Рисса сузила значение постоянной Хаббла до:
- 73,5 ± 1,7 км/с/Мпк.
Погрешность составила всего около 2%, что стало колоссальным прорывом по сравнению с прошлым веком.
📡 Эхо Большого взрыва: взгляд через реликтовое излучение 6:17
Чтобы полностью доверять полученному числу, научному сообществу требовалось подтверждение независимым методом. И такой метод существует: измерение параметров ранней Вселенной с последующей экстраполяцией ее развития до наших дней на основе законов гравитации.
Главным источником данных здесь выступает космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение, или CMB). Оно представляет собой остаточное тепловое свечение молодой, горячей и плотной Вселенной, высвободившееся примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, когда космос остыл достаточно, чтобы стать прозрачным для света. За почти 14 миллиардов лет путешествия сквозь расширяющееся пространство эти волны растянулись в 1100 раз.
Спутник «Планк» (Planck) создал подробнейшую карту реликтового излучения всей небесной сферы. Пятна на этой карте отражают крошечные колебания температуры и плотности первичной плазмы. Ключ к вычислению постоянной Хаббла кроется в размерах этих флуктуаций. В раннюю эпоху материя стремилась сжаться под действием гравитации, а свет создавал мощное радиационное давление, сопротивляющееся коллапсу. Эти силы порождали гигантские звуковые волны — барионные акустические осцилляции. Когда свет отделился от материи, осцилляции застыли, оставив свой отпечаток в структуре реликтового излучения.
Анализируя угловые размеры этих «пятен» (спектр мощности), команда Planck определила стартовые космологические параметры: соотношение обычной материи, темной материи, излучения и начальную скорость расширения. Рассчитав, как эта модель должна развиваться до современной эпохи, физики получили свое значение постоянной Хаббла:
- 66,9 ± 0.6 км/с/Мпк.
⚡ Кризис в космологии: 3,7 сигма расхождения 9:47
На первый взгляд, результаты проекта SHOES (73,5) и миссии Planck (66,9) удивительно близки, учитывая, что они получены из данных на противоположных концах временной шкалы. Однако их математические погрешности не пересекаются. Статистическое расхождение составляет 3,7 сигма. По словам ведущего, это означает, что вероятность случайного совпадения или ошибки такого масштаба составляет всего 1 к 7000.
Этот конфликт данных, впервые четко проявившийся в 2016 году, и называют главным кризисом современной космологии. С тех пор ученые неоднократно перепроверяли калибровки, задействовали альтернативные методы, но разрыв никуда не исчез, а границы погрешностей стали еще уже.
Существует два принципиальных объяснения этого парадокса:
- Скрытые систематические ошибки. Возможно, в измерениях «Хаббла» или «Планка» кроются неучтенные искажения. Например, астрономы могут не до конца понимать поведение цефеид или то, как гравитационное линзирование влияет на масштаб пятен реликтового излучения.
- Новая физика. Это наиболее захватывающий сценарий, указывающий на то, что в космологических расчетах не учитываются некие фундаментальные законы природы.
Среди теоретических вариантов новой физики ученые выделяют следующие гипотезы:
- Стерильные нейтрино: гипотетические сверхбыстрые частицы, не входящие в Стандартную модель, которые в больших количествах могли нарушить энергетический баланс ранней Вселенной.
- Измененное поведение темной материи: если частицы темной материи взаимодействовали с обычной материей и излучением сильнее, чем предполагается, это могло сместить размеры флуктуаций реликтового фона.
- Динамическая темная энергия: стандартные расчеты исходят из того, что плотность темной энергии неизменна (космологическая константа). Но если ее сила со временем возрастает, это легко объясняет, почему в современную эпоху Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывала экстраполяция из прошлого.
💬 Темный флюид и парадоксы симметрии: ответы на комментарии 13:19
В финальной части выпуска ведущий традиционно разобрал отзывы зрителей к прошлым эпизодам. Первой темой стала дискуссия вокруг научной работы доктора Джейми Фарнса, предложившего гипотезу «темного флюида» с негативной массой как единого объяснения природы темной материи и темной энергии.
Один из комментаторов отметил, что, по свидетельству знакомых Фарнса, сам автор не обязательно безоговорочно верит в данную концепцию, а скорее преследовал цель подтолкнуть физиков к поиску нестандартных идей. Ведущий согласился, что уважает подобную мотивацию для публикации даже столь маргинальных теорий.
Тем не менее, к гипотезе Фарнса остаются серьезные физические вопросы. Зрители резонно указали на два фундаментальных противоречия:
- Эффект гравитационного линзирования: искривление света вокруг галактик наглядно демонстрирует, что окружающая их невидимая темная масса обладает положительным гравитационным знаком. Жидкость с отрицательной массой дала бы строго противоположный визуальный эффект, и сильного линзирования мы бы просто не наблюдали.
- Нарушение законов термодинамики: введение отрицательных масс в уравнения порождает парадоксы с вечными двигателями и логическими тупиками, что в физике считается серьезным сигналом о несостоятельности теории.
⏳ Истинный смысл CPT-симметрии
Второй блок вопросов коснулся концепции CPT-симметрии (заряда, четности и времени). Ведущий подчеркнул, что инверсия времени (T) в данном контексте — это не буквальная перемотка хронологической ленты назад. Ее следует понимать как зеркальный разворот всех импульсов движения: как линейного, так и углового момента.
Если бы Вселенная обладала идеальной Т-симметрией, то обращение всех движений вспять заставило бы систему эволюционировать ровно к исходному состоянию. Однако в реальности это не так: некоторые квантовые взаимодействия демонстрируют явную асимметрию между прямыми и обратными процессами. При этом фундаментальная CPT-инверсия остается незыблемой: законы физики в гипотетической CPT-перевернутой Вселенной будут точно такими же, как в нашей.
Отвечая на вопрос о поведении черных дыр при гипотетическом обращении времени, ведущий пояснил, что истинная временная инверсия должна превратить черную дыру в белую дыру. В таком сценарии все, что когда-либо падало внутрь — звезды, космические корабли или гипотетические космонавты — должно было бы вырваться наружу и собраться обратно в исходные объекты. Поскольку Т-симметрия в природе нарушена, реального идеального «отката» структуры черной дыры не произойдет, хотя фундаментальная информация при этом все равно не теряется, а лишь переходит в иную форму.
В завершение ведущий оценил шуточную «теорию единого темного сектора» от одного из подписчиков, предложившего формулу, пародирующую Эйнштейна: «Темная энергия равна темной материи, умноженной на скорость темноты в квадрате», иронично назвав ее гениальной на многих уровнях.
