Представата ни за Вселената се основават на опростяване, известно като космологичен принцип, който предполага, че когато се осредни в големи мащаби, Вселената е хомогенен и материята е разпределена равномерно навсякъде.

Това позволява математическото описание на пространство-времето, което опростява приложението на Общата теория на относителността на Айнщайн към Вселената като цяло.

Нашите космологични модели се основават на това предположение. Но тъй като новите телескопи, както на Земята, така и в космоса, предоставят все по-прецизни изображения и астрономите откриват масивни обекти, тази основа е все повече изглежда несигурна.

В наскоро публикуван преглед на група физици и космолози се обсъжда как тези нови открития радикално налагат да се преразгледат предположенията и да се промени нашето разбиране за Вселената.

НАСЛЕДСТВОТО НА АЙНЩАЙН

Алберт Айнщайн е бил изправен пред огромни дилеми преди 106 години, когато за първи път прилага своите уравнения за гравитацията към Вселената като цяло. Никой физик не е опитвал нещо толкова смело, но това е било естествено следствие от ключовата му идея:

Материята казва на пространството как да се извива, а пространството казва на материята как да се движи.

През 1917 г. е имало много малко данни и малко астрономи са възприемали идеята, че галактиките са обекти на огромни разстояния.

Конвенционалната гледна точка на Айнщайн е, че цялата Вселена изглежда като вътрешността на нашата галактика. Това предлага звездите да се третират като течности без налягане, разпределени на случаен принцип, но с добре дефинирана средна плътност – еднаква или хомогенна навсякъде в пространството.

Въз основа на идеята, че Вселената е една и съща навсякъде, Айнщайн въвежда своята космологична константа Λ (ламбда), сега известна като "тъмна енергия". Сега стандартният ни космологичен модел се нарича ΛCDM (съкратено от Lambda-Cold Dark Matter).

В малки мащаби уравненията на Айнщайн ни казват, че пространството никога не стои неподвижно. Но налагането на това на Вселената в голям мащаб е било неестествено. Затова Айнщайн е бил облекчен от откриването на разширяването на Вселената в края на 20-те години на миналия век. Той дори описа Λ като най-големия си гаф.

ИДЕИТЕ ЗА МАТЕРИЯТА СА ЕВОЛЮИРАЛИ, НО НЕ И ГЕОМЕТРИЯТА

Сега разполагаме с удивително подробни модели на физиката на звездите и галактиките, вградени в еволюиращата  Вселена. Можем да проследим астрофизиката на "нещата" от мънички вълнички (смущения) на "семена" в първичната огнена топка до сложни структури днес.

Нашите телескопи са прекрасни машини на времето. Те гледат назад чак до момента, когато са се образували първите атоми и Вселената е станала прозрачна.

Отвъд е първичната плазма, непрозрачна като вътрешността и повърхността на Слънцето. Светлината, която напусна "повърхността на последното разпръскване" (реликтовото излъчване) на Вселената, която е била много гореща тогава, около 2700 ℃.

Ние получаваме същата тази светлина днес, но охладена до минус 270 ℃ и разредена от разширяването на Вселената. Това е космическият микровълнов фон и той е удивително еднороден във всички посоки.

Това е силно доказателство, че Вселената е била много близка до пространствено хомогенна, когато е била огнена топка. Но днес няма преки доказателства за такова еднообразие.

ЕДНА "РАЗВЪЛНУВАНА" ВСЕЛЕНА

Далеч назад във времето нашите телескопи разкриват малки сливащи се галактики, прерастващи във все по-големи структури до наши дни.

Разширяването на Вселената е спряно изцяло в рамките на най-големите концентрации на материя, известни като галактически клъстери. Там, където пространството се разширява, клъстерите се опъват в нишки, които обграждат огромни празнини (или войдове), всички нарастващи с времето, но с различна скорост. Вместо да бъде гладка, материята образува "космическа мрежа" от мащабни структури.

Вселената е била хомогенна отдавна, но развива космическа мрежа с нарастването на структурите. Компютърни модели, използващи проста геометрия, както е показано, сега ще бъдат тествани спрямо по-сложни. Кредит: Wikimedia Commons, CC BY-ND

Но идеята, че Вселената е пространствено хомогенна, остава.

Би имало грубо несъответствие между наблюдаваната космическа мрежа и средната извита геометрия на пространството, ако всичко, което виждаме, е всичко, което съществува. Доказателства за липсваща материя съществуват от първите наблюдения на галактически купове през 1933 г., която наричаме тъмна материя.

Първите наблюдения на космическото микровълново фоново лъчение и неговите вълни през десетилетието от 1965 г. променят тази идея.

Моделите на ядрената физика са в съответствие с наблюденията само ако липсващата маса в галактическите купове е нещо като неутрино, което не може да излъчва светлина. Така се въвежда студената тъмна материя, която прави гравитацията по-силна в галактическите купове.

Милиарди са изразходвани в опити за директно откриване на тъмната материя, но десетилетия на такива усилия не са довели до окончателно откриване на това, което съставлява 80% от цялата материя и 20% от цялата енергия във Вселената днес.

АНОМАЛНО НЕБЕ

Космическото микровълново фоново лъчение не е съвършено равномерно. Върху нея се наслагват флуктуации, една от които е необичайно голяма и има формата на дипол - ин-ян диаграма, покриваща цялото небе.

Диполна структура на Вселената. Кредит: Planck mission/ESA.

Можем да се интерпретира това като ефект, дължащ се на относителното движение, при условие че се дефинира космическото микровълново фоново лъчение като рамката на покой на Вселената. Ако не направим това, ще имаме нужда от физическо обяснение за големия дипол.

Голяма част от загадката се свежда до асиметрия на енергията, което води до една изкривена Вселена. Температурите на полукълбата над и под равнината на Млечния път са малко по-различни от очакванията.

Тези аномалии отдавна се обясняват като резултат от неотчетени физически процеси при моделирането на микровълнови емисии от Млечния път.

Европейската космическа агенция ще изстреля сателита "Евклид" (Euclid) на 1 юли 2023 г., за да погледне надлъж и шир, отговаряйки на някои от най-фундаменталните въпроси за нашата Вселена. Кредит: ESA/ATG, CC BY-SA

МАТЕРИЯТА В НЕБЕТО

Космическото микровълново фоново лъчение не е единственото наблюдение на цялото небе, което показва дипол. Миналата година изследователите са използвали наблюдения на 1,36 милиона далечни квазари и 1,7 милиона радиоизточника, за да тестват космологичния принцип. Те откриват, че материята също е неравномерно разпределена.

Изгладената карта на небето на радиоизточниците на NRAO VLA Sky Survey (NVSS) (вляво) и квазари от WISE (вдясно), показващи характерната диполна анизотропия поради аберация, която се очаква поради нашето локално движение. Някои части от небето са скрити, за да се гарантира еднаквост на броя на източниците и да се блокира предния план. Кредит: A challenge to the standard cosmological model (Предизвикателство към стандартния космологичен модел), Secrest et al, 2022, Astrophysical Journal Letters.

Друга още по-широко обсъждана мистерия е "напрежението на Хъбъл".

Напрежението на Хъбъл

В астрономията съществуват две точни измервания на разширяването на Вселената, определено от "константата на Хъбъл" (H0). Едното се изчислява от близките наблюдения на свръхнови, а второто използва "космическия микровълнов фон" (H0 ~ 73 km/s/Mpc ), или радиацията, която е започнала да се разпространява свободно във Вселената малко след Големия взрив (H0 ~ 67 km/s/Mpc). Тези две измервания обаче се различават с около 10%, което предизвика дебат сред физиците и астрономите - дискусия, известна като напрежението на Хъбъл. Ако и двете измервания са точни, това означава, че настоящата теория на учените за устройството на Вселената е непълна.

Обикновено приемаме, че средната стойност за цялото небе на текущата скорост на разширяване на Вселената дава една добре дефинирана стойност: константата на Хъбъл. Но измерената стойност се различава от очакваната, като се има предвид стандартна история на разширение, базирана на космическото микровълново фоново лъчение. Ако се допусне нехомогенна космология, този проблем може да изчезне.

Използвайки космически микровълнови фонови данни от отделни противоположни полукълба, стандартната история на разширение предполага различни "константи на Хъбъл" от всяка страна на небето днес.

Тези загадки се усложняват от непрекъснатото нарастващ списък от неочаквани открития: огромната гигантска дъга от квазари и сложна, ярка и изпълнена с елементи от ранната Вселена, разкрита от космическия телескоп "Джеймс Уеб".

Ако материята е много по-разнообразна и интересна от очакваното, тогава може би геометрията също е такава.

Има модели, които са изоставили космологичния принцип и те правят прогнози.

Те просто са по-малко изучавани от стандартната космология.

Сателитът Евклид на Европейската космическа агенция ще бъде изстрелян скоро.

Ще разкрие ли Евклид, че пространството не е Евклидово?

Ако е така, тогава скоро трябва да очакваме фундаментална революция във физиката и космологията.

Авторите на статията са:

Дейвид Уилтшър (David Wiltshire)
Професор по теоретична физика, Университет на Кентърбъри
Джон О Колган (Eoin O Colgain)
Асистент-преподавател по физически науки, Атлантически технологичен университет
Джени Вагнер (Jenny Wagner)
Учен изследовател по космология, Бахамски институт за напреднали изследвания
Шахин Шейх Джабари (Shahin Sheikh-Jabbari)
Професор по физика, Институт за изследване на фундаменталните науки

Тази статия е публикувана за първи път в The Conversation.

Cosmological models are built on a simple, century-old idea – but new observations demand a radical rethink, The Conversation