Астрономы разработали новый способ проверки одного из центральных допущений современной космологии — того, что Вселенная остаётся однородной на самых больших масштабах. Применив этот метод к реальным данным наблюдений, исследователи обнаружили предварительные признаки того, что это допущение, возможно, не полностью соответствует действительности. Если это подтвердится, то укажет на новую физику за пределами стандартной космологической модели.
В работе объединены наблюдения за далёкими взрывающимися звёздами и крупномасштабные обзоры галактик. Цель исследования — проверить, действительно ли Вселенная следует почти 100-летней математической модели, известной как космология Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW). Анализ выявил слабые, но интригующие отклонения от предсказаний стандартной модели.
«Мы обнаружили неожиданное нарушение теста на согласованность кривизны FLRW, что указывает на существование новой физики за пределами Стандартной модели», — сообщила в электронном письме соавтор исследования Аста Хейнесен, физик из Института Нильса Бора в Копенгагене и Университета Квин-Мэри в Лондоне, имея в виду допущение о том, что кривизна пространства везде одинакова. «Это потенциально может быть связано с различными эффектами, но требуются дополнительные исследования, чтобы выяснить причину нарушения FLRW, которое мы наблюдаем эмпирически».
Результаты были представлены в серии из трёх статей, в которых представлены новые диагностические тесты для космологии и их применение к существующим наборам данных наблюдений. Статьи, доступные на сервере препринтов arXiv, ещё не прошли рецензирование.
Проверка основ космологии
Современная космология построена на предположении, что на достаточно больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной — то есть материя распределена равномерно, и космос выглядит примерно одинаково во всех направлениях. Эта идея лежит в основе космологии FLRW, которая составляет основу стандартной модели космологии, известной как «холодная тёмная материя с космологической постоянной лямбда».
Но реальная Вселенная представляет собой запутанную космическую паутину из галактик, скоплений галактик и огромных пустот (войдов). По словам Хейнесен, эта сложность означает, что описание FLRW не всегда может идеально подходить.
«Космология FLRW предполагает существование пространства-времени, пространственные сечения которого обладают максимальной симметрией, — сказала Хейнесен. — При наличии таких космологических структур, как скопления галактик и войды, необходимо выйти за пределы пространств-времени FLRW».
Исследователи сосредоточились на двух возможных эффектах, которые могут искажать видимую геометрию Вселенной. Один из них — эффект Дайера — Рёдера, который возникает из-за того, что свет от удалённых объектов часто проходит в основном через пустые области космоса, а не через среды, богатые материей. Это может привести к тому, что физики не учтут значительную часть плотности материи во Вселенной, «из-за чего Вселенная будет казаться нам более пустой, чем она есть на самом деле», — пояснила Хейнесен.
Вторая возможность связана с эффектом, называемым космологической обратной реакцией. В этом сценарии рост крупномасштабных космических структур изменяет средние значения расширения самого пространства.
Новый способ изучения космической геометрии
Чтобы исследовать эти возможности, учёные провели тесты на математическую согласованность, призванные проверить, соответствуют ли наблюдательные данные правилам, ожидаемым во Вселенной FLRW. В частности, они использовали варианты теста Кларксона — Бассетта — Лу — метода, сравнивающего измерения космических расстояний и скоростей расширения.
Команда разработала более общую структуру, которая работает даже в тех случаях, когда Вселенная не в полной мере удовлетворяет предположениям FLRW.
Они также применили методы машинного обучения, известные как символическая регрессия, для реконструкции истории космического расширения непосредственно на основе данных наблюдений. Вместо того чтобы исходить из заранее заданной космологической модели, этот метод ищет математические выражения, которые наилучшим образом соответствуют данным.
Используя данные наблюдений из каталога сверхновых Pantheon+ в сочетании с измерениями, полученными с помощью спектроскопического прибора для исследования тёмной энергии (DESI) — крупного международного проекта, в рамках которого создаётся карта миллионов галактик по всей Вселенной, — учёные воссоздали картину темпов расширения космоса с течением времени. Они также использовали данные обзоров барионных акустических колебаний, которые позволяют отслеживать древние закономерности в распределении галактик, оставленные звуковыми волнами, прошедшими через горячую плазму ранней Вселенной.
Анализ выявил небольшие, но потенциально важные отклонения от предсказаний стандартной космологии FLRW. В зависимости от набора данных и метода анализа расхождение достигало статистической значимости около 2–4 сигм. В физике сигма измеряет вероятность того, что результат возник исключительно случайно; обычно требуется результат с 5 сигмами, прежде чем учёные объявят об открытии, поэтому новые выводы остаются предварительными. Тем не менее, результаты предполагают, что на геометрию или расширение Вселенной может влиять нечто неожиданное.
«Главный вывод заключается в том, что на основе имеющихся космологических данных можно непосредственно измерить эффекты Дайера — Рёдера и обратной реакции и чётко отличить эти эффекты от других изменений стандартной космологической модели, таких как эволюция тёмной энергии и теории модифицированной гравитации», — сказала Хейнесен. «Раньше это было невозможно сделать столь прямым образом, и именно в этом, на мой взгляд, заключается прорыв в нашей работе».
Проблемы и перспективы
Исследователи предупредили, что эти данные пока носят предварительный характер. Нынешние космологические данные по-прежнему относительно скудны, особенно в том, что касается измерений скорости расширения Вселенной в разные эпохи. Методы символической регрессии также вносят неопределённости, требующие дальнейшего изучения.
В своих работах авторы подчеркнули, что для определения подлинности наблюдаемых отклонений от модели FLRW крайне важны будут более точные данные будущих обзорных исследований.
«Если указанные отклонения от геометрии FLRW являются реальными, это будет означать, что большинство космологических решений, рассматриваемых для устранения космологических противоречий — эволюционирующая или взаимодействующая тёмная энергия, новые типы материи или энергии, модифицированная гравитация и связанные с ними идеи в рамках модели FLRW — исключаются», — пишут исследователи.
Следующим шагом станет применение новой теоретической модели к более обширным и точным наборам данных. «Нам предстоит применить наши теоретические результаты к данным, чтобы проверить стандартную модель и установить ограничения на эффекты Дайера — Рёдера и обратной реакции», — сказала Хейнесен.
Поскольку этот метод уже можно использовать с существующими астрономическими наблюдениями, исследователи могут вскоре получить более чёткие ответы на вопрос о том, действительно ли Вселенная соответствует простой крупномасштабной картине, предлагаемой стандартной космологией, или же скрытые сложности меняют наше понимание космической эволюции.