Кризис Теории Большого взрыва

Благодаря серии многочисленных наблюдений человечество смогло установить, что Вселенная возникла в очень горячем и плотном состоянии, называемом Большим Взрывом, а затем начала расширяться и продолжала делать это в течение миллиардов лет.  При помощи новых способов точных измерений за последние несколько десятилетий учёные смогли хорошенько изучить эту теорию и усовершенствовать её.

Это позволило им узнать множество подробностей об истории нашей Вселенной. Когда мы сравниваем результаты различных видов измерений — скорость расширения Вселенной, температурные диаграммы в свете, излучаемом при образовании первых атомов, концентрацию различных химических элементов, а также распределение галактик и других крупномасштабных структур — мы находим потрясающие совпадения. Каждое из этих свидетельств подтверждает вывод о том, что Вселенная расширялась и развивалась именно так, как предсказывает теория Большого взрыва. С этой точки зрения она кажется удивительно понятной.

Но космологи изо всех сил бились – если не сказать “полностью потерпели неудачу” – в попытках понять основные аспекты Вселенной. Мы почти ничего не знаем о тёмном веществе и тёмной энергии, которые вместе составляют более 95 процентов всего вещества, существующего сегодня. Мы не понимаем, как протоны, электроны и нейтроны Вселенной могли бы пережить последствия Большого взрыва.
На самом деле, все, что мы знаем о законах физики, говорит нам о том, что эти частицы давно должны были быть уничтожены антивеществом. И для того, чтобы осмыслить Вселенную в том виде, в каком мы её наблюдаем, космологи были вынуждены сделать вывод, что пространство в самые ранние моменты должно было пройти короткий и впечатляющий период сверхбыстрого расширения. В процессе, известном как “космическая инфляция”. И всё же мы почти ничего не знаем об этой ключевой эпохе космической истории.

Вполне возможно, что эти загадки — не более чем вопросы без ответов. И каждая из них будет решена, ведь космологи продолжают исследовать Вселенную. Но до сих пор эти загадки оказывались слишком неподатливыми и труднорешаемыми. С целью распознавания отдельных частиц, составляющих тёмную материю, исследователи спроектировали и произвели серию впечатляющих экспериментов — и до сих пор безуспешно. Даже мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, не обнаружили ничего, что приблизило бы нас к разрешению любой из этих космических загадок. И несмотря на то, что мы понимаем историю Вселенной и её структуру со всё большей точностью мы так и не получили существенно более глубокого понимания природы тёмной энергии – силы, которая, кажется, ускоряет расширение космоса.

Именно с этой точки зрения некоторые космологи задаются вопросом, могут ли эти космические загадки быть симптомами чего-то более значительного, чем парочка вопросов без ответов Возможно, эти загадки связаны между собой не так, как могло бы показаться. И вместо этого коллективно указывают нам на совершенно другую картину Вселенной и её самых ранних моментов.

Что мы узнали, не обнаружив тёмную материю

Темная материя, наверное, — самая известная проблема современной космологии. Астрономы определили, что большая часть материи в нашей вселенной состоит не из атомов или каких-либо других известных веществ, но из чего-то еще — чего-то, что не излучает, не отражает и не поглощает свет.

О природе тёмной материи известно мало, но это не мешает космологам размышлять о том, из каких частиц может состоять это вещество.В частности, исследователи давно подсчитали вот что: допустим,частицы тёмной материи взаимодействуют через силу, примерно такую же мощную, как слабая ядерная сила, которая управляет радиоактивным распадом. В таком случае число этих частиц, которые должны были появиться в результате Большого взрыва, будет приблизительно соответствовать измеренному изобилию тёмной материи, найденной сегодня во Вселенной. С учётом этих условий, слабо взаимодействующие массивные частицы — WIMPы — стали лучшим предположением о природе темной материи.

Учёные считали, что умеют обнаруживать частицы и изучать их свойства. Мотивированные серьёзной задачей, физики взялись за масштабную исследовательскую программу, целью которой стала идентификация этих WIMPов и понимание того, как они могли возникнуть в Большом Взрыве. За последние несколько десятилетий появился ряд подземных лабораторий с очень чувствительными детекторами, которые способны обнаруживать отдельные столкновения между частицами тёмной материи и атомами обычного вещества.

Эти сложные эксперименты выполнялись прекрасно — именно так, как задумывались (или даже лучше). Но такие столкновения так и не обнаружили. Десять лет назад многие учёные были уверены, что эксперименты принесут свои плоды. Однако тёмная материя оказалась совсем не такой, как мы представляли, и очень неуловимой.

Хотя всё ещё возможно, что тёмная материя состоит из  каких-то трудно обнаруживаемых WIMP, бесплодные эксперименты заставили многих физиков переключить внимание на других кандидатов на роль тёмной материи.. Одним из таких претендентов является гипотетическая сверхлегкая частица, известная как аксион. Аксионы предсказываются в соответствии с теорией, предложенной в 1977 году физиками в области элементарных частиц, Роберто Печчеи и Хелен Куинн. Хотя учёные ищут аксионы в экспериментах, которые используют мощные магнитные поля для преобразования их в фотоны, в этих исследованиях пока не были установлены строгие ограничения на свойства таких частиц.

Другим объяснением того, почему темную материю так трудно обнаружить, может быть то что первые моменты Вселенной, возможно, проходили совсем не так, как представляют космологи. Возьмём гипотезу о WIMP. Расчеты показывают, что молодая вселенная должна была произвести огромное количество этих частиц в течение первой миллионной секунды или около того после Большого взрыва, когда они достигли состояния равновесия с окружающей плазмой кварков, глюонов и других субатомных частиц. Количество WIMP, которые могли бы выжить в этих условиях — и, в конечном счете, внести вклад в темную материю, обнаруженную во всей современной Вселенной, зависит от того, как часто и каким образом они взаимодействовали. Но выполняя подобные расчеты ученые обычно предполагают, что пространство неуклонно расширялось в течение первой доли секунды, без каких-либо неожиданных событий или аномальных переходов. Вполне может быть, что такое предположение ошибочно.

Хотя космологи и разобрались во многом в том, как Вселенная расширялась и развивалась на протяжении большей части своей истории, они относительно мало знают о первых секундах, последовавших за Большим взрывом. И почти ничего — о первой триллионной доле секунды. Когда речь заходит о том, как могла развиваться Вселенная, или о событиях, которые могли произойти в эти самые ранние моменты, у нас практически нет прямых наблюдений, на которые можно было бы положиться. Эта эпоха скрыта от глаз, скрыта под непроницаемыми слоями энергии, расстояния и времени.

Наше понимание этого периода космической истории на самом деле не более чем догадка, основанная на экстраполяции данных. Загляните достаточно далеко назад, — и почти все, что мы знаем о Вселенной, может быть другим. Материя и энергия существовали в формах, отличных от современных, и, возможно, они испытывали силы, которые еще не были открыты. Возможно, происходили ключевые события и изменения, которые наука еще не увидела. Материя, вероятно, взаимодействовала так, как она больше не делает, и сами пространство и время могли вести себя не так, как в том мире, который мы знаем.

Имея это в виду, многие космологи начали рассматривать возможность того, что наша неспособность обнаружить частицы, составляющие тёмное вещество, может говорить нам не только о природе самой темной материи, но также и об эпохе, в которой она возникла. Изучив тёмное вещество, ученые узнают больше о первых мгновениях после Большого взрыва.

Как быстро расширяется пространство?

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до нас. Это было первое чёткое доказательство того, что Вселенная расширяется. С тех пор текущая скорость этого расширения – постоянная Хаббла – стала одной из ключевых величин нашей Вселенной, которой занимаются космологи.

Эта обсерватория находится глубоко подо льдом на антарктической станции Амундсен-Скотт. Специальные детекторы должны обнаруживать черенковское излучение мюонов, которые движутся вверх, к поверхности планеты. Это позволяет отсеять их от мюонов, которые движутся по направлению сверху (и рождаются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии с космическим излучением).

Именно направление движения позволяет утверждать, что эти мюоны образовались при взаимодействии рождённых в далёких космических событиях нейтрино. Никакие другие частицы не способны пересечь нашу планету “насквозь”.

Подробно о работе обсерватории мы рассказывали в одном из роликов на канале:

Стоит отметить, что проблемы с определением постоянной Хаббла возникли давно. Первоначальное её определение самим Хабблом страдало от систематических ошибок, которые привели к переоценке коэффициента расширения в 7 раз. Еще в 1990-х годах в учебниках часто указывались значения, начиная от 50 до 100 километров в секунду на каждый миллион парсек, разделяющих две точки в пространстве (обычно записывается как 50-100 км/с / Мпк; Один мегапарсек [Мпк] равен 3,26 миллионам световых лет). Хотя точность измерений за последние два десятилетия значительно возросла, пока нет единого мнения относительно правильного значения этой величины. Хотя, именно благодаря возросшей точности, результаты различных измерений ещё больше не согласуются друг с другом.

Один из способов определения постоянной Хаббла состоит в том, чтобы непосредственно измерить, насколько быстро объекты удаляются от нас. Как это сделал сам Хаббл в 1929 году. Для своих измерений он использовал специальный класс пульсирующих звезд, известных как Цефеиды, чьи период и светимость зависят друг от друга напрямую. Современные космологи продолжают использовать этот тип звёзд для определения постоянной Хаббла, Но они также используют другие классы объектов, включая сверхновые типа Ia – взорвавшиеся белые карлики, которые имеют примерно одинаковую светимость. Когда исследователи объединяют эти данные, они обнаруживают, что Вселенная в настоящее время расширяется со скоростью от 72 до 76 км/с/Мпк.

Но это ещё не всё. Космологи также могут вывести значение постоянной Хаббла, изучая остаточное свечение первых атомов во Вселенной, испущенное примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Подробные температурные диаграммы этого свечения, известного как космический микроволновый фон или реликтовое излучение, служат картой, показывающей, как вещество распределялось по всей Вселенной в то время.

При тщательном изучении эти карты раскрывают много деталей о ранней Вселенной: в том числе о количестве вещества и других форм энергии, а также о том, как быстро расширялось пространство. Карты также говорят нам о том, что постоянная Хаббла составляет около 67 км/с/Мпк — значительно меньше, чем значение, полученное космологами при более прямых измерениях.

Стандартные свечи – это объекты известной светимости, которые позволяют нам определять точные до них расстояния. Именно они служат ключевыми отсечками на “галактической шкале”.

В основном для этого используются голубые и красные сверхгиганты (на небольших расстояниях), шаровые скопления (средние расстояния), сверхновые типа Ia (большие расстояния).

Но что это несоответствие означает для Вселенной? Если предположить, что оба исследования правильно учли все систематические неопределенности и ошибки, присущие любым наблюдениям, эти два способа определения постоянной Хаббла кажутся несовместимыми – по крайней мере, в контексте стандартной космологической модели. Чтобы устранить противоречие, астрономам пришлось бы изменить наши представления о расширении пространства и эволюции Вселенной. Или переосмыслить формы материи и энергии во Вселенной в течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, скорость, с которой расширяется пространство, зависит от плотности вещества и других форм энергии, которые оно содержит. Когда космологи выводят значение постоянной Хаббла по реликтовому излучению, им приходится делать предположения о количестве темной материи, нейтрино и других веществ, которые в нём содержались.

Возможно, самым простым способом объяснить несоответствие между различными измерениями постоянной Хаббла было бы выдвижение гипотезы о том, что в течение первых ста тысяч лет (или около того) после Большого взрыва космос содержал больше энергии, чем ожидалось. Эта энергия могла бы принять экзотическую форму в виде лёгких и слабо взаимодействующих частиц или какой-то давно исчезнувшей тёмной энергии, связанной с вакуумом самого пространства. Или, может быть, есть что-то ещё, пока недоступное нам в эту эпоху космической истории. Мы просто ещё не знаем, как можно разгадать эту интригующую загадку.

Приближается революция?

Как я уже написал, вполне возможно, что различные головоломки, с которыми сегодня сталкиваются космологи, представляют собой не более чем тривиальные нити, которые ученые будут хорошо связывать в предстоящие годы с помощью новых экспериментов и наблюдений. Но в последнее время кажется, что чем больше мы изучаем Вселенную, тем меньше ее понимаем. Несмотря на десятилетия усилий и исследований, природа темной материи остается неизвестной, а загадка темной энергии кажется почти неразрешимой. Мы не знаем, как частицам, составляющим атомы в Вселенной, удалось пережить первые моменты Большого взрыва, и мы до сих пор мало знаем о космической инфляции, как она происходила или как она закончилось. Это если предположить, что что-то вроде инфляции вообще было.

Именно с этой точки зрения я иногда думаю о том, могут ли эти тайны представлять собой нечто большее, чем несколько открытых и не связанных между собой вопросов. Возможно, они говорят нам, что самые ранние моменты Вселенной сильно отличались от того, что мы долго себе представляли. Возможно, эти вопросы представляют собой начало революции в науке о космологии.

Иногда я задаюсь вопросом, можем ли мы оказаться на краю обрыва научной истории, подобном тому, у которого стояли в 1904 году. В то время физика казалась столь прочной, будто всё уже объяснено и изучено. На протяжении более двух столетий принципы ньютоновской физики успешно применялись к одной задаче за другой. И хотя физики расширили свои знания в таких областях, как электричество, магнетизм и тепло, эти аспекты мира действительно не сильно отличались от тех, которые Ньютон описывал сотни лет назад. Физикам 1904 года мир казался хорошо понятым. Мало что предвещало революцию.

Подобно ситуации, с которой сегодня сталкиваются космологи, физики 1904 года всё ещё не могли решить несколько задач. Среда, которая по их убеждениям переносила свет — светоносный эфир — должна была вызывать изменения его скорости. И все же свет всегда движется в пространстве с одинаковой скоростью. Астрономы заметили, что орбита Меркурия немного отличается от того, что предсказывала физика Ньютона, что заставило некоторых предположить, что влиять на его траекторию могла какая-то неизвестная планета, получившая название Вулкан.

Физики в 1904 году понятия не имели, что питало Солнце — ни один известный химический или механический процесс не мог производить столько энергии в течение столь длительного времени. Наконец, ученые знали, что различные химические элементы излучают и поглощают свет с определенными закономерностями, но никто из физиков не имел ни малейшего понятия, как это объяснить. Другими словами, внутреннее устройство и механизмы атома оставалась полной загадкой.

Это галактика GN-z11, свет от которой шёл до нас 13,4 млрд лет: он был испущен спустя всего 400 миллионов лет после Большого взрыва. Если учесть расширение Вселенной, сейчас расстояние до этой галактики должно составлять около 32 миллиардов световых лет.

Оглядываясь сейчас мы можем отметить то, что тогда мало кто видел: эти загадки были предвестниками революции в физике. И она пришла в 1905-м году, вместе с молодым учёным Альбертом Эйнштейном и его новой теорией относительности. Теперь мы знаем, что светоносного эфира не существует и что на Меркурий не влияет никакая планета Вулкан. Все эти предположения просто были симптомами неполноты ньютоновской физики. Относительность прекрасно раскрыла и объяснила каждую из этих загадок без потребности в новых веществах или планетах.

Более того, когда ученые объединили относительность с новой теорией квантовой физики, стало возможным объяснить долголетие Солнца, а также внутреннюю работу атомов. Эти новые теории даже открыли двери для новых и ранее невообразимых направлений исследований, в том числе и для самой космологии.

Научные революции могут глубоко изменить то, как мы видим и понимаем наш мир. Но радикальные перемены невозможно предвидеть. Скорее всего, мы никак не узнаем заранее, являются ли загадки, с которыми сегодня сталкиваются космологи, предвестниками неизбежного переворота в науке, или же просто последними нерешенными задачами невероятно успешной научной эры.

Нет сомнений, что мы достигли удивительного прогресса в понимании Вселенной, её истории и её происхождения. Но также нельзя отрицать, что мы глубоко озадачены, особенно когда речь идет о самых ранних моментах космической истории. Я не сомневаюсь, что эти моменты хранят невероятные секреты и, возможно, ключи к новой научной революции. Но Вселенная уж точно тщательно скрывает свои секреты. И лишь от нас зависит, сможем ли мы добраться до этих секретов, превратив космологические тайны в научные открытия.

Автор оригинального материала: Dan Hooper. Источник: Astronomy.com