Вселенная — другая: новые данные ставят под сомнение главный принцип космологии

Космологический принцип — это как бы высшее проявление смирения, — объясняет Джеймс Адам, астрофизик из Университета Западного Кейпа, Кейптаун, ЮАР, и ведущий автор новой работы.

Согласно Космологическому принципу, мы не только не находимся в центре Вселенной, но и истинного центра не существует. Еще одно предположение, похожее на однородность, но отличное и независимое от нее, заключается в том, что Вселенная также изотропна, то есть у нее нет предпочтительных направлений. Эти предположения лежат в основе Стандартной модели космологии — теоретической основы, используемой для объяснения происхождения, эволюции и современного состояния Вселенной. В настоящее время это самая надежная и последовательная модель, подтвержденная многочисленными научными наблюдениями, хотя и не совершенная.

Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Так, некоторые недавние космологические наблюдения указывают на то, что на очень больших масштабах в структуре Вселенной могут существовать анизотропии — изменения, которые опровергают предположение об изотропии. Эти аномалии были выявлены с помощью различных методов и включают в себя противоречивые измерения скорости расширения Вселенной, исследования космического микроволнового фонового излучения и различные несоответствия в космологических данных. Однако эти наблюдения пока не являются окончательными. Чтобы исключить ошибки измерений, необходимо собрать больше данных с помощью независимых методик. Если несколько методик подтвердят одни и те же аномалии, их существование станет гораздо сложнее отвергнуть.

В новом исследовании, опубликованном в JCAP, Адам и его коллеги разработали новую методику проверки изотропии Вселенной с помощью наблюдений, проводимых такими приборами, как Euclid. Euclid — это космический телескоп ЕКА, запущенный в 2023 году, который только что начал создавать изображения космоса с беспрецедентной мощностью, точностью и разрешением.

Мы исследовали другой метод ограничения анизотропии, который включает в себя так называемое слабое гравитационное линзирование, — говорит Адам.

Слабое линзирование происходит потому, что материя между нами и далекой галактикой слегка искривляет свет галактики, изменяя его видимую форму. Этот специфический тип искажения может показать, существуют ли во Вселенной анизотропии. Анализ данных о слабом линзировании позволяет ученым разделить сигнал на две составляющие: E-моду сдвига, которая порождается распределением материи в изотропной и однородной Вселенной, и B-моду сдвига, которая обычно очень слаба и не должна проявляться на больших масштабах в изотропной Вселенной.

Простого наблюдения В-мод на больших масштабах недостаточно для подтверждения анизотропии, поскольку эти сигналы очень слабы и могут быть результатом ошибок измерений или вторичных эффектов. Если анизотропия реальна, она будет влиять на Е-моды и В-моды независимым образом, порождая корреляцию между этими двумя сигналами. Только если данные «Евклида» обнаружат значительную корреляцию между Е- и В-модами, это будет свидетельствовать об анизотропном расширении Вселенной.

Дальнейшие шаги и возможные последствия

В своем исследовании Адам и его коллеги смоделировали на компьютере эффект анизотропного расширения Вселенной и разработали модель, описывающую, как отклонения от изотропии будут изменять сигнал слабого линзирования. Затем они рассчитали кросс-корреляцию E-B, чтобы продемонстрировать, что анизотропная Вселенная будет создавать корреляцию между двумя сигналами, и применили свою модель к будущим данным Euclid, показав, что эти наблюдения будут достаточно точными для обнаружения потенциальных анизотропий.

Euclid уже начал предоставлять полезные данные для этих анализов, и вскоре будут запущены новые обсерватории. Теперь, когда они разработали соответствующую методику, Адам и его коллеги намерены применить ее к реальным данным.

После того как вы как бы четырежды перепроверили свою работу, вам придется серьезно задуматься о том, действительно ли это фундаментальное предположение верно или нет, особенно в поздней Вселенной. Или, возможно, оно просто никогда не было верным, — объясняет Адам.

Если эти аномалии подтвердятся, они откроют новую главу в космологии. Однако это будет нелегко: уже существуют альтернативные теоретические модели, предсказывающие анизотропии, но ни одна из них не является столь же прочной и общепризнанной, как Стандартная модель. Однако любой теоретический пересмотр будет также зависеть от степени обнаруженной анизотропии, которая остается неопределенной.

Это может быть серьезный пересмотр, — заключает Адам, — или просто добавление небольшого термина здесь или там. Кто знает?

Космологический принцип

Мы знаем, что Вселенная расширяется, и это может заставить нас ошибочно предположить, что существует центр (место Большого взрыва), из которого это расширение исходит. Вместо этого мы должны думать о нашей Вселенной, как о поверхности Земли: мы можем двигаться в любом направлении, никогда не достигая края, но на поверхности нет центра. Если бы Земля вела себя как надуваемый воздушный шар, мы бы увидели, что пространство на ее поверхности расширяется, но на ней не было бы определенной точки, которую можно было бы считать центром расширения.

Согласно Космологическому принципу, в космическом пространстве не только нет центра или привилегированного места, но и само пространство обладает однородными свойствами повсюду, по крайней мере на достаточно больших масштабах. Мы знаем, что существуют пустоты и плотные области, такие как галактики и пространство между ними, но если мы уменьшим масштаб — точно так же, как мы увеличиваем масштаб смартфона двумя пальцами, — эти неоднородности исчезнут. Этот принцип лежит в основе теоретической модели, которую мы используем сегодня для объяснения происхождения, эволюции и современного состояния Вселенной. Он также очень удобен, поскольку подразумевает, что законы физики действуют везде одинаково, что значительно упрощает наше понимание космоса.

Слабое линзирование

Слабое линзирование основано на принципе, описанном общей теорией относительности, согласно которому гравитация может искривлять путь света. Чем больше масса небесного тела, тем сильнее искажается проходящий рядом с ним свет. Галактики и другие объекты, расположенные за массивным гравитационным полем, выглядят неуловимо искаженными, их формы и ориентация слегка изменены.

Этот эффект похож на взгляд на объект через увеличительное стекло. Подобно тому, как изогнутая поверхность линзы изгибает и искажает свет, изменяя видимую форму и положение объектов за ней, гравитационное поле массивной космической структуры изгибает и искажает свет от далеких галактик. В результате эллиптическая галактика может казаться слегка сжатой или повернутой.

Тщательно анализируя эти искажения в миллиардах галактик, такие исследования, как Euclid и LSST, позволяют обнаружить слабое линзирование, раскрывающее присутствие и распределение невидимой материи, включая темную материю.

Ранее ученые увидели в реальном времени формирование джетов черных дыр.

11.02.2025