В новом выпуске программы «Вселенная Плюс» физик Алексей Семихатов и астроном Владимир Сурдин обсуждают одну из самых интригующих загадок современной науки — расширение Вселенной. Эксперты разбирают, почему галактики разлетаются друг от друга, что мешает учёным прийти к единому значению скорости этого процесса и почему «космологическое напряжение» может привести к открытию принципиально новой физики.
🌌 Границы расширения: почему Андромеда не улетает? 0:00
Расширение Вселенной — это процесс, который охватывает огромные масштабы, но практически не заметен внутри нашего «космического дома». Как объясняет Владимир Сурдин, гравитация успешно противостоит расширению на относительно малых расстояниях . Например, Туманность Андромеды не только не удаляется от Млечного Пути, но и летит нам навстречу, так как взаимное притяжение двух галактик сильнее космологического расширения.
Ключевые факты о масштабах взаимодействия:
- Местная группа галактик: Наше устойчивое сообщество, связанное гравитацией, простирается примерно на 3 миллиона световых лет .
- Точка перелома: За пределами этого радиуса расширение Вселенной «побеждает», и соседние группы галактик начинают неуклонно удаляться от нас .
- Эффект наблюдателя: Каждая галактика видит себя в центре расширения, поскольку всё остальное пространство удаляется от неё во все стороны. Это следствие однородного старта Вселенной .
📊 Стандартная модель космологии и «недостающая» материя 3:41
Обсуждая теоретическую базу, Алексей Семихатов отмечает, что современная космология опирается на модель ΛCDM (лямбда-си-ди-эм). Название заимствовано из физики элементарных частиц (Стандартная модель), хотя в космологии «стандарты» более подвижны .
Владимир Сурдин расшифровывает составляющие этой модели:
- CDM (Cold Dark Matter): Холодное тёмное вещество. Оно необходимо, чтобы объяснить существование галактик. Расчёты показывают: если бы во Вселенной было только видимое (барионное) вещество, за 14 миллиардов лет гравитация просто не успела бы собрать его в звёзды и планеты . Для этого потребовалось бы не менее 50 миллиардов лет.
- Фактор пяти: Тёмной материи должно быть примерно в пять раз больше по массе, чем обычного вещества из таблицы Менделеева .
- Холодность: Термин «холодная» означает, что частицы тёмной материи движутся медленно. Если бы они были «горячими» (быстрыми), они бы не смогли концентрироваться в гало вокруг галактик, а просто разлетелись бы по пространству .
Доказательством существования этой невидимой массы служит эффект гравитационного линзирования . Свет от далёких объектов искривляется, проходя мимо массивных скоплений, причём это искривление гораздо сильнее, чем могли бы обеспечить только видимые звёзды .
🔭 Наследие Веры Рубин и новые телескопы 17:15
Идея скрытой массы обсуждалась ещё в 1930-е годы Фрицем Цвикки, однако его скандальный характер мешал признанию гипотезы . Окончательно существование тёмной материи подтвердили работы Веры Рубин в 1970-х, которая зафиксировала аномально высокие скорости вращения звёзд на окраинах галактик .
Сегодня для изучения этих загадок строится обсерватория имени Веры Рубин . Её ключевая особенность — гигантское поле зрения. В отличие от телескопов «Хаббл» или «Джеймс Уэбб», которые смотрят в космос «узким лучом», обсерватория Веры Рубин способна фотографировать огромные участки неба сразу .
Интересный побочный эффект работы нового телескопа:
- На первом же снимке было обнаружено 2000 новых астероидов внутри Солнечной системы .
- За весь XX век учёные открыли лишь несколько тысяч подобных объектов .
🕳️ Первичные чёрные дыры: тёмная материя или нет? 20:38
Одной из гипотез природы тёмной материи являются чёрные дыры. Однако это не могут быть обычные чёрные дыры звёздного происхождения (массой от 3 до 30 масс Солнца), так как их количество легко было бы вычислить по миганию далёких звёзд .
Алексей Семихатов и Владимир Сурдин обсуждают концепцию первичных чёрных дыр, которые могли родиться непосредственно в момент Большого взрыва из-за квантовых флуктуаций плотности .
- Излучение Хокинга: Маленькие чёрные дыры (массой менее 10^-5 грамма) должны были испариться за миллиарды лет, если теория Хокинга верна .
- Излучение Унру: Семихатов проводит аналогию с эффектом Унру, согласно которому ускоренный наблюдатель видит квантовое поле как поток частиц там, где покоящийся видит вакуум .
- Загадка ранних квазаров: Телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, существовавших уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва . Учёные не понимают, как они успели так быстро вырасти, что заставляет вновь обратить внимание на идею их первичного происхождения .
📏 Конфликт измерений: Хаббловское напряжение 39:06
Главная тема дискуссии — «Хаббловское напряжение» (Hubble tension). Это фундаментальное расхождение в определении скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла).
Существует два основных метода измерения, которые дают разные результаты:
- Локальный метод (лестница расстояний): Астрономы измеряют расстояния до ближайших звёзд (параллакс), затем до более дальних через переменные звёзды и сверхновые типа 1a . Этот метод даёт значение около 73 км/с на мегапарсек .
- Космологический метод (реликтовое излучение): Изучение состояния Вселенной через 400 тысяч лет после Большого взрыва (миссии Planck). Этот метод даёт значение около 68 км/с на мегапарсек .
По словам Владимира Сурдина, обе группы учёных ручаются за свою точность, но цифры не сходятся. Если признать верным раннее измерение (68 км/с), то придётся «подкручивать» фундаментальные параметры физики, например, менять массу электрона в ранней Вселенной .
🌬️ Акустические осцилляции и Слава Муханов 55:11
Расхождение в данных заставляет учёных возвращаться к истокам формирования структур во Вселенной. Алексей Семихатов напоминает об идеях Андрея Сахарова и Вячеслава Муханова. В ранней горячей плазме Вселенной существовали «звуковые волны» — барионные акустические осцилляции .
- Свет (излучение) распирал вещество, а гравитация собирала его обратно, создавая эффект упругости .
- Вячеслав Муханов предсказал спектральный индекс этих флуктуаций, за что, по мнению Семихатова, может получить Нобелевскую премию .
- Эти древние «звуки» застыли в момент рекомбинации, оставив отпечаток в распределении галактик. Сегодня мы видим, что галактики чаще располагаются на расстоянии 150 мегапарсек друг от друга — это раздувшиеся за миллиарды лет «гребни» тех самых звуковых волн .
📐 «Ошибка Эйнштейна» и антигравитация 1:02:14
Разговор переходит к лямбда-члену (Λ) — космологической постоянной. Альберт Эйнштейн ввёл её, чтобы сделать Вселенную стационарной, создав противовес гравитации . Позже, когда Эдвин Хаббл доказал расширение, Эйнштейн назвал это своей «величайшей ошибкой» .
Однако в 1998 году выяснилось, что расширение Вселенной ускоряется . Это «подхлёстывание» объясняется наличием тёмной энергии, которая описывается тем самым лямбда-членом.
Возможные причины ускорения по мнению участников:
- Свойство самого вакуума или особое поле.
- Гипотеза неоднородности: Владимир Сурдин предполагает, что Вселенная может быть не изотропна (неодинакова по направлениям). Если мы живём в области с меньшей плотностью, нам может ошибочно казаться, что Вселенная расширяется с ускорением из-за влияния внешних сверхструктур .
🎲 Великий спор: новая физика или старые ошибки? 1:13:56
В финале дискуссии собеседники расходятся во мнениях о будущем этого научного конфликта. Владимир Сурдин, как астроном-наблюдатель, считает, что проблема в точности измерений. Он возлагает надежды на метод TRGB (Tip of the Red Giant Branch) — измерение расстояний по самым ярким красным гигантам, которые светят стабильнее, чем сверхновые .
Алексей Семихатов, напротив, склоняется к «эмоциональной» мечте о новой физике. Он проводит параллель с «облачками на горизонте» лорда Кельвина в конце XIX века, из которых выросли квантовая механика и теория относительности . Семихатов надеется, что «Хаббловское напряжение» — это такая же туча, скрывающая принципиально новое понимание природы .
Учёные заключили пари:
