Главная Физика Астрофизики продемонстрировали результаты исследования 1/8 Вселенной

Когда исследователи отвергают результаты собственных фундаментальных трудов

С тех пор как люди изучают Вселенную, мы стремимся узнать ответы на самые трудные вопросы. Что именно находится там, в бездне глубокого космоса? Откуда все это взялось? Из чего все и как оно стало таким? Какова его судьба?

Астрофизики исследовали одну восьмую часть неба

Начиная с 1920-х годов, мы накопили достаточно материала, чтобы сделать надежные выводы о природе и поведении Вселенной, эволюции галактик и отдельных звезд. Мы даже научились измерять расстояния до наших соседей и не только; в результате появилась гипотеза красно смещения, согласно которой Вселенная расширяется.

С тех пор прошло почти целое столетие, и уровень точности, с которым мы измеряем Вселенную, значительно вырос. Например, в 2018 году коллаборация "Планк" опубликовала окончательные результаты самых изысканных измерений температуры на всем небе, связанных с колебаниями в космическом микроволновом фоне. Сразу было заявлено: теперь мы знаем, из чего состоит Вселенная, какова история ее расширения и какова ее конечная судьба.

Пространство прошлого

Когда мы смотрим на Вселенную, на все большие и большие расстояния, мы фактически смотрим и в прошлое. Чем дальше объект, тем больше времени требуется свету пройти до наших глаз. Расстояния между объектами увеличиваются, а сам свет растягивается: переходит на все более длинные волны.

Видимая часть Вселенной

Читайте Альтернативная Наука на Google News

В целом:

  • плотность энергии уменьшается, поскольку излучение и материя (как обычная, так и темная) становятся менее плотными по мере увеличения объема;
  • скорость расширения, определяемая общей плотностью энергии, также изменяется (уменьшается) со временем;
  • массивные сгустки материи растут за счет гравитационного притяжения, изменяя способ, которым пространство в этой окрестности изгибает фоновый свет;
  • всякий раз, когда мы наблюдаем фотон, который был испущен на большом расстоянии, - а значит и свет, - несет на себе отпечаток совокупных гравитационных эффектов, включая расширение Вселенной, гравитационное линзирование и изменения гравитационного потенциала объектов, с которыми он столкнулся на своем пути к нам.

Другими словами, наблюдаемый нами свет рассказывает историю о том, что произошло во Вселенной с тех пор, как он возник.

Свет, который доходит до нас

В этом и заключается основная идея использования наблюдений за галактиками для получения выводов о том, что находится во Вселенной. Вместо того, чтобы использовать сигнал одного "моментального снимка" прошлого Вселенной, - что дает нам, например, космический микроволновый фон, - мы можем просмотреть множество "снимков" во времени, изучая поведение и свойства галактик на разных этапах их развития.

Главное - понять, что в самых крупных масштабах физика, управляющая Вселенной, становится относительно простой по сравнению с мелкими структурами. Например, в масштабах одной галактики существуют огромные сложности, которые необходимо учитывать:

  • газ и пыль взаимодействуют со светом звезд;
  • ультрафиолетовое излучение может ионизировать материю в межзвездной среде;
  • газовые облака разрушаются, вызывая новое звездообразование;
  • нагретая материя влияет на темную материю в галактическом ядре;
  • если звездообразование становится слишком интенсивным, нормальная материя может быть выброшена.

И все же, несмотря на всю эту неразбериху и сложное взаимодействие темной материи с физикой нормальной материи, отдельные галактики все еще ничего не рассказывают о темной энергии.

Однако когда вы смотрите на то, как галактики собираются вместе, то здесь гораздо меньше малопонятных сложностей, которые еще нужно проверять и уточнять.

Как мы воспринимаем галактики

На самых больших масштабах - скажем, в несколько десятков миллионов световых лет и более, - можно моделировать Вселенную и при этом получать определенные предсказания. А также рассматривать темную материю как жидкость без столкновений (эфир или его аналог — волны, струны и прочая), гравитирующую, но не реагирующую ни на какие другие силы. Можно трактовать нормальную материю как массивную, но с самовзаимодействием и сцеплением с фотонами. Можно рассматривать фотоны как ванну излучения, которая оказывает давление и рассеивается от барионной, а не от темной материи. Можно также добавить темную энергию, а затем провести моделирование с ранних времен до наших дней включительно. Вариаций — до бесконечности.

Распределение световых точек во Вселенной

Идея заключается в создании большого набора "вероятностных каталогов" галактик, основанных на небольших различиях космологических параметров. Затем производится их оценка на основе любых наблюдаемых критериев, которые вы сами выберете. Таким образом — почти произвольным образом — ищутся ответы на «элементарные» вопросы: как галактики группируются вместе? Насколько сильно масса искажает средние видимые формы галактик? И что происходит, когда мы пытаемся сопоставить источники линзирования с фактическим положением галактик в каталоге?

Все дело в теории. Проводится моделирование, их оценка и определение, соответствие наборам параметров.

Астрофизика и физика

Но астрофизика немного отличается от физики. Если физика — это экспериментальная наука, то астрофизика — дескриптивная, даже наблюдательная. Вы можете подвергнуть Вселенную испытанию только в той мере, в какой происходит наблюдение. Если наблюдения не являются всеобъемлющими и безупречными, тогда рассматривается большее количество эффектов, которые необходимо учитывать.

Насколько хорошо они соответствуют составленной исследователем картине? Давайте погрузимся и узнаем.

Любые наблюдения:

  • ограничены разрешением, поскольку слишком близко расположенные друг к другу объекты на большом расстоянии будут выглядеть как один источник;
  • ограничены яркостью, так как слишком слабые объекты не будут видны;
  • ограничены красным смещением, так как слишком сильно красное смещение объекта больше не попадает в диапазон чувствительности телескопа;
  • сбивающие факторы, например, невозможно различить, какая часть красного смещения обусловлена движением галактики, а какая - расширением Вселенной.

Это только часть факторов. Тем не менее, ключ к объединению теории и наблюдений лежит в максимальном учете всех переменных, а также в сравнении наблюдаемых и анализируемых данных с теоретически полученными/моделированными результатами.

Предварительные итоги

27 мая 2021 года коллаборация Dark Energy Survey опубликовала серию статей - всего 26 (из запланированных 30, так что еще 4 еще впереди) - с подробным описанием результатов крупнейшего за все время исследования галактик. Всего было обследовано 5 000 квадратных градусов площади, что эквивалентно примерно ⅛ части видимого пространства. Они получили данные о ~226 миллионах галактик, из которых ~100 миллионов были полезны для понимания космического сдвига.

Возможно, наиболее важным результатом является то, что на основе этих данных установлены ограничения на ряд важных космологических параметров. К ним относятся:

  • каково общее количество материи (нормальной и темной, вместе взятых) во Вселенной?
  • каково уравнение состояния темной энергии, и согласуется ли оно с космологической постоянной?
  • есть ли убедительные доказательства в пользу большей (~73-74 км/с/Мпк) или меньшей (~67 км/с/Мпк) скорости расширения?
  • и есть ли другие параметры, которые противоречат параметрам, выведенным из других наблюдений, например, размера акустической шкалы или амплитуды кластеризации?

В конце концов, если мы хотим утверждать, что понимаем, из чего состоит Вселенная и какова должна быть ее судьба, различные собранные нами доказательства должны указывать на одну и ту же общую, самосогласованную картину.

В частности, можно выделить следующие основные моменты:

  • общая плотность материи составляет от 31% до 37% от критической плотности, тогда как "Планк" предсказывал ~32%;
  • уравнение состояния темной энергии равно -0,98 (с дисперсией около 20%), тогда как «Планк» дал определял как -1,03, хотя космологическая постоянная равна -1,00;
  • благоприятное значение для скорости расширения ("Планк" давал 67,4 км/с/Мпк) теперь увеличивается до 68,1 км/с/Мпк;
  • и наибольшие "разногласия" с "Планком" возникли при определении того, что космологи называют S8, то есть уровня сгруппирированости Вселенной, поскольку данные обзора темной энергии говорят в пользу значения 0,776, в то время как "Планк" предскзывал значение 0,832. (В совокупности результаты дают значение 0,815, что находится как раз между этими двумя значениями).

Если взять вместе данные "Планка" и "Обзора темной энергии", мы получим картину, которая практически не изменилась по сравнению с данными "Планка": схожая плотность материи, вывод о том, что темная энергия является космологической константой, примерная скорость расширения и незначительное смещение амплитуды кластеризации.

Видимая чать Вселенной

Сюрприз в том, что амплитуда кластеризации и амплитуда линзирования, которые должны совпадать, оказались несогласованными.

Иначе говоря, есть огромный набор бесполезных (с точки зрения изначально поставленной задачи) данных с N-бесконечным количеством вероятностных теорий. Под сомнением и результаты:

подтверждены ли природа и количество темной материи и темной энергии;

определена ли скорость расширения Вселенной, если такова действительно расширяется; амплитуда кластеризации немного меньше, чем ожидалось.

Официально уже заявлено, что никаких признаков «новой физики» нет. Хотя все озвученное требует дальнейшего изучения и перекрестной проверки с другими исследованиями галактик. Остановимся на такой формулировке.

Проще говоря, даже если наблюдения «железобетонно» вступят в конфликт с доксой, докса все равно победит.

Дата: 2021-06-03

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: