лямбда-CDM

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Вселенная — это огромный тёмный океан. Мы видим лишь светящуюся пену на его поверхности — звёзды и галактики. А в глубине скрыты две невидимые стихии: тёмная материя — невидимое вещество, которое своей гравитацией не даёт галактикам разлететься, и тёмная энергия — загадочная субстанция, которая, наоборот, расталкивает само…

В 1998 году физики поймали нейтрино на удивительном: частица меняет свой тип на лету. Такое возможно, только если у неё есть масса. Это стало единственным лабораторным доказательством физики за пределами Стандартной модели. Но сколько именно весит нейтрино — до сих пор загадка.

Космология попала в интересную переделку. Два главных способа заглянуть в прошлое Вселенной — по раннему свечению (реликтовому излучению) и по более поздним объектам вроде сверхновых — выдают разные числа для скорости расширения (постоянной Хаббла) и для того, насколько комковато разбросано вещество.

Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет отделился от плазмы. Это реликтовое излучение до сих пор пронизывает космос — как первый аккорд симфонии, отзвук горячего начала.

Современная космология попала в диссонанс. Локальные измерения постоянной Хаббла по сверхновым и цефеидам дают около 73 км/с/Мпк, тогда как глобальные ограничения из реликтового излучения в рамках стандартной ΛCDM-модели указывают на 67 км/с/Мпк.

Ранняя Вселенная раздувалась с бешеной скоростью — этот этап называют инфляцией. Но как именно она это делала? Одни модели описывают расширение как крутой экспоненциальный взлёт, другие — как более спокойное степенное движение.

Вселенная — грандиозный оркестр, где тёмная энергия дирижирует расширением.

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

В обычном мире без тёмной энергии масса любого тела всегда положительна. Это кажется очевидным: положительная масса притягивает, создавая гравитацию. Но в реальной Вселенной есть тёмная энергия — загадочная сила, заставляющая космос расширяться всё быстрее.

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

Вселенная не всегда расширялась. В некоторых моделях она сначала сжималась — почти пустая и плоская, — а потом, достигнув предела, оттолкнулась и пошла в рост, как привычный нам мир. Такой сценарий называют отскакивающей космологией.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

Ударьте по камертону. Частота 440 Гц. Это нота ля. Эталон звука. В мире чисел тоже есть эталон. Настраивают его не на звук, а на простые числа. Хотя их распределение кажется случайным, оно подчиняется строгим законам. Все простые числа резонируют вместе. Значение одно: λ∞ ≈ 0,674036. Эта константа возникает из уравнения, где сумма 1/(xp²−p+1) по всем простым p равна 1.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

Космологическая кухня полна невидимых ингредиентов. Тёмная материя, словно невидимый каркас, удерживает галактики от разлёта, а тёмная энергия, как дрожжи в тесте, заставляет пространство расширяться всё быстрее.

С конца XX века науке известно, что расширение Вселенной ускоряется: галактики разлетаются друг от друга всё быстрее. За это открытие были удостоены Нобелевской премии Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт.

Вселенная расширяется всё быстрее благодаря тёмной энергии — загадочной субстанции, пронизывающей космос и отвечающей за ускоренное расширение. Но измерения скорости этого расширения дают противоречивые результаты. Новое объяснение: в прошлом тёмная энергия работала как тормоз, замедляя разбегание галактик, а затем переключилась на разгон.

Позднюю Вселенную удобно представить как толпу, расходящуюся после концерта. В стандартной космологической модели ΛCDM люди идут молча, не мешая друг другу. Но что если тысячи зрителей начинают легонько подталкивать соседей?

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Космический вакуум — не пустота, а живой океан: его энергия вздымается и опадает, вторя расширению. Словно лунный прилив, плотность вакуума чутко откликается на темп Хаббла — дирижёрскую палочку Вселенной. Этот «бегущий вакуум» не застыл: в нём пульсируют квантовые флуктуации всех полей — от электронных до гипотетических вихрей Великого объединения.

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

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Кузнец куёт меч. С каждым ударом молота раскалённый металл плющится, но и сам молот, и наковальня, и воздух вокруг чуть нагреваются. Часть энергии удара безвозвратно уходит в тепло — и этот размен, знакомый каждому, кто хоть раз забивал гвоздь, оказывается ключом к самым большим загадкам космоса.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

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.

Огромный слоёный пирог, где слои теста — это пространство, а начинка — особая область, похожая на невидимую стену. Эта стена не из кирпичей, а из энергии, и она может быть толщиной с целую Вселенную. Если такая стена существует, она должна по-разному растягивать слои теста: те, что лежат вдоль неё, раздвигаются быстрее, а те, что поперёк, — медленнее. Именно такую картину проверили авторы работы.

Рождение Вселенной напоминает не взрыв, а дорожную пробку. Сперва, в крошечную долю секунды после Большого взрыва, пространство расширялось вяло, словно автомобили в заторе. Затем последовал резкий рывок — ускоренное расширение, которое космологи называют инфляцией.

Архитектор сверяется с чертежом, когда строит дом. У космологов чертёж — это стандартная модель, а рулетка — свет далёких галактик. Недавно новая «рулетка», прибор DESI, измерила расстояния до миллионов галактик с невиданной точностью. И цифры не совпали с чертежом.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

Долгое время тёмная энергия — загадочная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — рассматривалась как фундаментальная константа, неизменная во времени и пространстве. Эту ситуацию можно сравнить с дрожжами, которые никогда не теряют своей активности.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

Вселенная не терпит однообразия. Век назад Эдвин Хаббл и Жорж Леметр подарили нам элегантную картину: расширяющийся космос, гладкий, как поверхность натянутого шара.

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.

Представьте Вселенную как надувающийся воздушный шар: его поверхность расширяется, и галактики, словно точки на резине, удаляются друг от друга. Но квантовая механика накладывает жёсткое ограничение — невозможно одновременно с высокой точностью измерить, насколько этот «шар» велик и как быстро он раздувается.

Вы меряете шагами огромный зал в полной темноте. Идёте от стены до стены, считая шаги, и вдруг понимаете: расстояния сходятся не так, как должны. Кажется, будто пол не плоский, а выгнут горбом или вогнут чашей. Примерно это астрономы обнаружили, изучая далёкие галактики и звуковые волны, застывшие в ранней Вселенной.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.

Вселенная ведет учет каждому новорожденному светилу. За 13,8 миллиарда лет в галактиках зажглось столько звезд, что по их «переписи» можно судить о характере самого космоса — как по годовым кольцам дерева судят о климате прошлых лет.

Воздушный шар надувают. Сначала он раздувается медленно, потом кто-то резко доливает воздух — и шар расширяется быстрее. Но вот поток воздуха слабеет, и шар снова начинает раздуваться медленнее. Примерно так, согласно новой работе, вела себя Вселенная: после Большого взрыва она расширялась, потом вдруг ускорилась, а теперь ускорение сходит на нет.