неопределённость космического расширения

Старый звёздный шар, собравший сотни тысяч солнц, миллиарды лет кружит по окраине карликовой галактики. По расчётам он давно должен был рухнуть в центр, как тяжёлый камень в киселе. Но шар держится на месте, и этот факт не даёт покоя астрофизикам уже несколько десятилетий.

В сердце старого города стоит башня с часами, которые не переводили с момента постройки. По их отставанию можно вычислить, насколько растянулось время с тех пор. В космосе роль таких башен играют реликтовые галактики — плотные звёздные скопления, которые сформировались в первые миллиарды лет и с тех пор не сливались с соседями и не рождали новых звёзд.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Свет от самого начала мироздания летит к нам 13,8 миллиарда лет. За это время его поляризация — направление колебаний электромагнитной волны — могла испытать поворот, словно стрелка компаса, которую незаметно подкрутили.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная играла свою первую симфонию. Это был Большой взрыв нуклеосинтез — образование лёгких ядер, где каждый элемент звучал своей нотой, а темп задавался расширением пространства.

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

В космологии назрела драма: два главных музыкальных инструмента — оркестр ранней Вселенной и камерный ансамбль современного космоса — исполняют одну симфонию расширения в разном темпе.

Представьте космический оркестр, исполняющий симфонию от Большого взрыва до наших дней. Дирижёр — тёмная энергия — долгое время казался бесстрастным метрономом: космологическая постоянная Λ неподвижна, как палочка, застывшая в воздухе.

Вселенная — это оркестр, играющий симфонию Большого взрыва. Дирижёром долгое время считалась тёмная энергия — незыблемый метроном, задающий темп расширению.

В центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас, притаилась чёрная дыра массой как 6,5 миллиардов Солнц. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) впервые показал её портрет: оранжевый бублик с тёмной сердцевиной. Но бублик — не сама бездна. Это светящийся газ, разогретый до миллиардов градусов, который кружится перед тем, как исчезнуть навсегда.

Космологический оркестр настраивается не по одному камертону. Есть две группы инструментов: одни слушают гул молодого мироздания — реликтовое излучение, другие считывают ноты со зрелых галактик и сверхновых. Десятилетиями обе группы пытались сыграть унисон — определить, с какой скоростью разлетаются галактические архипелаги.

Переводчик слышит не только слова, но и интонацию, паузы, дрожь в голосе. Обычный энтропийный анализ космических возмущений похож на протокол совещания: фиксирует факты, но теряет оттенки. Псевдоэнтропия энтропии — это новый инструмент, который улавливает скрытую «музыку» ранней Вселенной.

Две линейки показывают чуть-чуть разную длину одного и того же стола. Примерно так выглядит ситуация в космологии с постоянной Хаббла — числом, которое говорит, как быстро расширяется Вселенная.

Космология — это музыка сфер, и постоянная Хаббла когда-то казалась нам надёжным метрономом. Но данные инструмента DESI, изучающего спектры миллионов галактик, намекают: дирижёр — тёмная энергия — сам меняет темп по ходу симфонии.

Космология переживает тектонический разлом. Цефеидно-калиброванные сверхновые, измеренные командой Адама Рисса, указывают на скорость около 73 км/с на мегапарсек.

Огромный надувной шар, на котором нарисованы галактики, раздувается — и рисунок растягивается, соседние точки отдаляются друг от друга. Скорость этого растягивания и есть постоянная Хаббла. Обычно астрономы ловят свет далёких звёзд и смотрят, насколько он покраснел от растяжения пространства.

На кухне стоят весы для муки и мерный стакан для воды. По отдельности они точны, но когда печёшь хлеб, рецепт требует идеального соотношения. Похожий спор идёт у астрономов о скорости расширения Вселенной. Прямые замеры по звёздам дают одно число, а расчёты по реликтовому излучению (свету, оставшемуся от Большого взрыва) — другое, чуть меньшее.

Двое часов показывают разное время. Одни стоят у нас на столе, другие — далеко в прошлом, в свечении, оставшемся после Большого взрыва. Первые, глядя на близкие галактики, отсчитывают скорость расширения Вселенной — около 73 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Вторые, вглядываясь в древний свет, дают заметно меньше — примерно 67.

Нейтрино — самые распространённые частицы с массой во Вселенной. Эти «частицы-призраки» почти не взаимодействуют с веществом: триллионы проходят сквозь нас каждую секунду, не оставляя следа. Их совокупное гравитационное притяжение, хоть и чрезвычайно слабое, способно влиять на движение целых галактик.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

Вселенная расширяется, но с какой скоростью? Астрономы десятилетиями спорят о точном значении постоянной Хаббла — фундаментальной величины, описывающей темп космологического расширения. Два классических метода дают слегка разные результаты. Теперь появился третий — по загадочным быстрым радиовсплескам.

Если пространство — холст, то мазки на нём не могут быть бесконечно тонкими. Существует мельчайший отрезок, короче которого нет смысла измерять, — фундаментальная длина, задающая квантовую «зернистость» пространства-времени. Эта дискретность меняет саму геометрию: движение галактик и рост крупномасштабных структур отражают её влияние.

Два астронома смотрят на одну и ту же Вселенную, но видят её по-разному. Один измеряет скорость расширения по древнему свету, который летел к нам почти 14 миллиардов лет. Другой — по недавним взрывам звёзд в соседних галактиках. Первый получает 67 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния, второй — 73.

Вселенная похожа на океан, где волны разной длины накатывают на берег. Самые длинные волны — это гигантские неоднородности в распределении вещества, которые мы видим в реликтовом излучении. Стандартная теория говорит, что такие волны должны существовать на всех масштабах.

В стандартной космологической модели ΛCDM разбегание галактик объясняется действием тёмной энергии — гипотетической субстанции, работающей подобно невидимой пружине, расталкивающей пространство. Однако независимые методы измерения скорости расширения дают расходящиеся значения — словно у линейки сбита шкала.

Вселенная расширяется, но с какой скоростью — вопрос, который не даёт покоя астрономам уже десятилетия. Два способа измерения дают разные ответы, и этот разрыв называют напряжением Хаббла. Одни смотрят на раннюю Вселенную через реликтовое излучение, другие — на близкие сверхновые и цефеиды.

Видимый горизонт Вселенной можно представить как голографический экран, который, подобно чёрной дыре, подчиняется законам, установленным Бекенштейном и Хокингом.

Свет далёких галактик, проходя сквозь массивные скопления вещества, испытывает искажения — подобно тому, как дно бассейна кажется раздробленным из-за ряби на поверхности воды.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

Два метода измерения скорости расширения Вселенной дают противоречивую картину. Измерения по вспышкам сверхновых, выполненные командой Адама Рисса, показывают более быстрое расширение, чем данные по реликтовому излучению — свету, оставшемуся после Большого взрыва.

Когда Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной, а Вера Рубин — тёмную материю, каркас космологии казался прочным. Но телескоп JWST заглянул в такую древность, что увидел галактики-тяжеловесы там, где по расчётам должны быть лишь «саженцы».

Космологическое сообщество уже несколько лет живёт в состоянии тихой гражданской войны. Два лагеря меряют скорость расширения Вселенной и получают разные ответы. Планк, вглядываясь в реликтовое излучение, говорит: 67.4 км/с/Мпк. SH0ES, карабкаясь по лестнице расстояний от цефеид к сверхновым, настаивает: 73.2.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство расширялось с невероятной скоростью. Крошечная квантовая рябь, заложенная в самом принципе неопределённости, расталкивала вещество сильнее, чем любая известная сила. Эта рябь — обобщённый принцип неопределённости, или GUP.