В прошлом году физик-теоретик Раджендра Гупта из Оттавского университета (Канада) опубликовал довольно необычное предположение о том, что возраст Вселенной, который в настоящее время принято оценивать в 13,8 млрд лет, определён ошибочно из-за игры света, скрывающей её истинную древность. Кроме того, его предположение избавляет нас от необходимости объяснять наличие скрытых сил и материи.
Более новый анализ, проведённый Гуптой, показывает, что колебания с самых ранних моментов времени, сохранившиеся в крупномасштабных космических структурах, подтверждают его утверждения.
«Результаты исследования подтверждают, что наша предыдущая работа о возрасте Вселенной в 26,7 миллиарда лет позволила нам обнаружить, что для существования Вселенной не требуется тёмная материя», — говорит Гупта.
«В стандартной космологии считается, что ускоренное расширение Вселенной вызвано тёмной энергией, но на самом деле это происходит из-за ослабления сил природы по мере её расширения, а не из-за тёмной энергии».
Если отмотать назад принятые в настоящее время модели ускоренного расширения, то пустота космоса перестанет быть пустой примерно 13,7 миллиарда лет назад, а самые большие скопления материи во Вселенной становятся такими мелкими, что их можно было бы уместить в кармане рубашки.
Картина мира выглядела достаточно согласованной, пока мы не обнаружили галактики, которые были одновременно достаточно молодыми и удивительно зрелыми для таких массивных космических объектов, которым не исполнился и миллиард лет.
Это поставило астрономов перед дилеммой: либо существующие модели эволюции галактик и чёрных дыр нуждаются в корректировке, либо Вселенная на самом деле существует гораздо дольше, чем мы думаем.
Нынешние космологические модели исходят из разумного предположения, что определённые силы, управляющие взаимодействием частиц, остаются неизменными на протяжении всего времени. Гупта оспаривает конкретный пример такой "константы связи", задаваясь вопросом, как она может влиять на расширение пространства в течение достаточно долгих периодов времени.
Любой новой гипотезе достаточно сложно выжить под пристальным вниманием научного сообщества. Но предложение Гупты не то чтобы совсем новое — оно в значительной степени основано на идее, которая была отвергнута почти столетие назад.
В 1929 году, астроном Фриц Цвикки предположил, что если бы фотоны теряли энергию со временем в результате столкновений с другими частицами регулярным образом, то более удалённые объекты казались бы более красными, чем более близкие. Так появилась первая гипотеза о стареющем свете. Однако постепенно все гипотезы из этой серии были опровергнуты.
Сам Цвикки признавал, что любое рассеяние света размывало бы изображения далёких объектов больше, чем мы наблюдаем сегодня. Кроме того, среди опровергающих эту теорию наблюдений есть меняющаяся со временем поверхностная яркость галактик, замедление времени космологических источников и тепловой спектр реликтового излучения — эти эффекты не должны присутствовать, если космологическое красное смещение обусловлено каким-либо механизмом рассеяния усталого света. Несмотря на периодическое переосмысление этой концепции, усталый свет не был подтверждён наблюдательными тестами и остаётся периферийной темой в астрофизике.
К 1990-м годам и в XXI веке ряд наблюдений показал, что гипотезы «усталого света» не способны объяснять космологические красные смещения. Например, в статичной Вселенной с механизмами усталого света поверхностная яркость звёзд и галактик должна быть постоянной, то есть чем дальше объект, тем меньше света мы получаем, но его видимая площадь также уменьшается, поэтому полученный свет, делённый на видимую площадь, должен быть постоянным. В расширяющейся Вселенной поверхностная яркость уменьшается с расстоянием. По мере удаления наблюдаемого объекта фотоны испускаются с меньшей скоростью, потому что каждый фотон проходит расстояние, которое немного длиннее предыдущего, а его энергия немного уменьшается из-за увеличения красного смещения на большем расстоянии. С другой стороны, в расширяющейся Вселенной объект кажется больше, чем он есть на самом деле, потому что он был ближе к нам, когда фотоны начали своё путешествие. Это приводит к разнице в поверхностном блеске объектов в статичной и расширяющейся Вселенной. Этот принцип известен под названием «тест Толмана на поверхностную яркость», и в этих исследованиях он говорит в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной и исключает статические модели усталого света.
Красное смещение непосредственно наблюдаемо и используется космологами как прямая мера обратного отсчёта времени. Они часто обозначают возраст и расстояние до объектов в терминах красного смещения, а не в годах или световых годах. На такой шкале Большому взрыву соответствует бесконечное красное смещение. Альтернативные теории гравитации, в которых нет расширяющейся Вселенной, должны по-другому объяснить соответствие между красным смещением и расстоянием.
Последствия версии гипотезы усталого света, предложенной Гуптой, — так называемые ковариационные константы связи плюс усталый свет, или CCC+TL, — повлияют на расширение Вселенной, избавив её от таинственных толкающих сил тёмной энергии и обвинив в увеличении растяжения пространства изменение взаимодействий между известными частицами.
Чтобы заменить существующие модели на CCC+TL, Гупта должен убедить космологов, что его модель лучше объясняет то, что мы видим в целом. В своей последней работе он пытается сделать это, используя CCC+TL для объяснения флуктуаций в распространении видимой материи в пространстве, вызванных звуковыми волнами в новорождённой Вселенной, и свечения древнего рассвета, известного как космический микроволновый фон.
Хотя его анализ приводит к выводу, что его гибридная теория усталого света может хорошо сочетаться с некоторыми особенностями остаточных отголосков света и звука во Вселенной, это возможно только в том случае, если мы также откажемся от идеи, что тёмная материя — это тоже вещь.
Конечно, отсутствие необходимости объяснять происхождение тёмной материи или тёмной энергии в некотором смысле упростило бы физику. Справится ли CCC+TL с задачей перевернуть космологию с ног на голову, будет зависеть от того, сможет ли она решить больше проблем, чем создаст.
Не стоит также забывать, что любая новая теория, идущая на смену старым, должна не только объяснить те загадки, с которыми старые теории не справляются, но и по-своему объяснить все наблюдавшиеся явления, с которыми старые теории отлично справлялись. И к любой теории, заявляющей о том, что тёмной материи не существует, мы можем предъявить следующие контраргументы.
▍ Общее количество обычной материи во Вселенной точно известно
Во Вселенной существует большое разнообразие форм обычной, привычной нам материи – пыль, газ, астероиды, кометы, планеты, звёзды, межзвёздная плазма, чёрные дыры. И хотя уже довольно давно астрономам было очевидно, что большую часть этой материи мы не видим, обычно проблему скрытой материи пытались объяснить тем, что она в первую очередь просто не светится. Так что за скрытую часть материи могли отвечать все перечисленные виды материи или какие-нибудь тяжёлые нейтрино – в общем, обычная материя.
Плотность нормальной материи относительно фотонов
Однако в итоге космологи посчитали критическую плотность Вселенной. Барионная (обычная, доступная прямым наблюдениям) материя даёт в эту плотность довольно малый вклад: лишь (4,54±0,01) %, или 0,25 атома водорода на кубический метр. Два других компонента, дающих гораздо больший вклад в плотность, — тёмная материя (22,6 %) и тёмная энергия (73 %). Вклад фотонов микроволнового фона, в настоящее время крайне мал: 0,0050 %.
▍ Особенности реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной не получается объяснить без тёмной материи
С самого начала Вселенная была горячей, почти однородной и постоянно расширялась и остывала. Однородность её была не идеальной, в ней были участки с большей и меньшей плотностью. Плотные участки притягивали к себе больше материи, а в разреженных участках материи становилось всё меньше. Из участков с максимальной плотностью вылетали фотоны, в результате чего плотность этих участков снова падала – и так далее.
Оставшееся после Большого взрыва свечение – фотоны – отражает все эти несовершенства, которые в конечном итоге привели к появлению звёзд, галактик, космических нитей, космической паутины и чёрных дыр.
И тёмная, и нормальная материя гравитируют, и фотоны вылетают из плотных областей, где много материи любого типа. Однако частицы обычной материи сталкиваются друг с другом и взаимодействуют с фотонами, в то время как тёмная материя невидима для всего вышеперечисленного. В результате во Вселенной с тёмной материей в два раза больше пиков и провалов на графике флуктуаций как в спектре космического микроволнового фона, так и в спектре мощности крупномасштабной структуры, чем было бы у Вселенной с одной только нормальной материей.
Особенности реликтового излучения
▍ Тёмная материя ведёт себя как набор частиц, и это принципиально отличается от поведения квантовых полей
Есть такой аргумент, что раз частицы – это просто возбуждения квантовых полей, то добавление в теорию новой частицы аналогично добавлению нового квантового поля. И хотя технически это так, суть теории тёмной материи это искажает.
А суть вот в чём: поля пронизывают все пространство. Они могут быть однородными или неоднородными; они могут быть изотропными или иметь предпочтительное направление. Частицы же могут быть безмассовыми, в этом случае они должны вести себя как излучение, или массивными, в этом случае они должны вести себя как традиционные частицы. В последнем случае частицы взаимодействуют друг с другом, в том числе при помощи гравитации, их кинетическую и потенциальную энергию можно чётко и понятно оценить, у них есть такие значимые для частиц свойства, как эффективные сечения, амплитуды рассеяния и связи, и ведут они себя в соответствии (по крайней мере) с известными законами физики.
Именно по этим причинам, а точнее по всем свойствам тёмной материи, которые мы смогли вывести только из астрофизических наблюдений, — мы приходим к выводу, что тёмная материя по своей природе похожа на частицы. Это не означает, что она не может быть жидкостью без давления, разновидностью комковатой пыли или что её эффективное сечение равно нулю при любом взаимодействии, кроме гравитационного. Это означает, что если вы попытаетесь заменить тёмную материю полем, то это поле должно вести себя так, чтобы с астрофизической точки зрения его нельзя было отличить от поведения большого набора массивных частиц.
Тёмная материя не обязательно должна быть частицей, но сказать: «Она может быть полем так же легко, как и частицей», — значит упустить важную истину: тёмная материя ведёт себя именно так, как мы ожидали бы от популяции холодных, массивных, не рассеивающихся частиц. Особенно на больших космических масштабах, то есть на масштабах скоплений галактик (около ~1020 миллионов световых лет) и больше, это поведение, подобное поведению частиц, можно заменить только полем, которое ведёт себя неотличимо от группы частиц.
▍ Необходимо по-своему объяснить реальные мелкомасштабные физические эффекты, такие как динамический нагрев, звёздообразование и обратная связь, а также нелинейные эффекты
Известно, что на мелких масштабах предсказания теории тёмной материи работают не так хорошо, как на крупных. Поэтому на таких масштабах у неё и могут выигрывать различные теории модифицированной гравитации. Однако на мелких масштабах просто происходят такие сложные процессы, которые мы сегодня не способны учесть в полной мере.
Когда материя коллапсирует в центр массивного объекта, она, теряет угловой момент, нагревается, может вызвать звёздообразование, порождает ионизирующее излучение, которое выталкивает обычную материю из центра наружу, что гравитационно «нагревает» тёмную материю в центре. Все эти процессы происходят и их необходимо учитывать, и без тёмной материи (пусть она даже совершенно не будет сталкиваться с самой собой) тут не обойтись.
▍ Придётся объяснить весь набор космологических доказательств
Это очень важный момент, который нельзя упускать — приходится принимать во внимание все собранные на сегодняшний день данные о Вселенной.
Нужно учитывать все семь акустических пиков в космическом микроволновом фоне, а не только первые два (следы звуковых волн, проходивших по нашей Вселенной, когда её возраст был очень мал — от нескольких секунд). Нужно, чтобы новая сущность, которой новая теория пытается заменить тёмную материю, была эквивалентной и неотличимой от тёмной материи. Не стоит изменять законы гравитации таким образом, чтобы объяснить мелкомасштабные особенности ценой отказа от объяснения крупномасштабных особенностей. Нельзя специально выбирать статистически маловероятные результаты, которые действительно имели место, в качестве «доказательства» того, что ведущая теория ошибочна. И не нужно чрезмерно упрощать и неверно характеризовать успехи ведущей теоретической идеи, которую ваш нестандартный подход хочет вытеснить.
Помните, что для того, чтобы свергнуть и вытеснить старую научную идею, первое препятствие, которое вы должны преодолеть, — это воспроизвести все успехи старой теории. Возможно, нам действительно нужен новый закон гравитации, чтобы объяснить нашу Вселенную, но не получится придумать такой закон, который не требовал бы наличия тёмной материи.
Автор: Валерий Исаковский
