ВСЕСВИТ НЕ НЕСКІНЧЕННИЙ. ЩО ПОТРІБНО ЗНАТИ ПРО СКАНДАЛЬНУ ГІПОТЕЗУ АСТРОНОМІВ З ПІВДЕННОЇ

 КОРЕЇ

Коротко:

— чому вчені сперечаються про швидкість розширення Всесвіту

— хто поставив під загрозу існування темної енергії

— як виміряти відстань до краю Всесвіту

 

Одна з головних гіпотез сучасної астрофізики, на якій базуються найавторитетніші космологічні теорії, може потерпіти крах через нове дослідження південнокорейських вчених.

Народне повір’я говорить, що якщо довго дивитися на Місяць — можна збожеволіти.

Довести або спростувати це твердження поки нікому не вдалося, але от спостереження за глибоким космосом незабаром можуть довести до божевілля багатьох астрофізиків і навіть позбавити Нобелівської премії її нещодавніх лауреатів.

Незважаючи на значний технічний прогрес та існування на Землі просунутого дослідного устаткування, всі наші спроби вивчити найвіддаленіші куточки Всесвіту поки можна порівняти зі спробами зловити в FM-діапазоні ембієнт-радіостанцію посеред Тихого океану.

Тому більшість із сучасних космологічних теорій засновані на гіпотезах і припущеннях. Найпоширеніші з них — існування темної матерії і темної енергії. Ця гіпотетична речовина нібито формує 95% Всесвіту, відповідає за приховану масу всіх космічних об’єктів і за швидке розширення простору.

Однак, темні матерія й енергія стали лише приблизними змінними, які ввели вчені, щоб доповнити попередні дослідження про відстані між віддаленими об’єктами у Всесвіті.

Нова робота астрономів із Південної Кореї ставить під сумніви ці дослідження і, як наслідок, може спростувати гіпотези про швидке розширення Всесвіту й існування темної енергії.

Фото: Jay GaBany/NASA

Що дізналися південнокорейські вчені?

Згідно із законом Хаббла, Всесвіт постійно розширюється. Але в масштабах нашої Сонячної системи або навіть інших зоряних систем в галактиці Чумацький шлях, засікти це розширення практично неможливо.

Тому астрофізикам довелося вивчати віддалені галактики, одне лише світло від яких може летіти до Землі сотні тисяч років. Очевидно, що для визначення точних відстаней до таких далеких об’єктів потрібно враховувати масу похибок, включаючи гравітаційне викривлення світла і особливості всіх його спектрів.

Одним з найбільш поширених інструментів для визначення відстаней до далеких галактик і швидкості розширення Всесвіту стали спалахи наднових, — явища, які знаменують смерть важких зірок і супроводжуються різким збільшенням їх яскравості.

Вимірюючи червоне зміщення (перехід світла від далеких об’єктів в діапазон довгих хвиль) наднових типу Ia, астрономи могли визначити відстань до них і швидкість розширення Всесвіту.

Отримані дані про відстані між найвіддаленішими об’єктами не відповідали нашому розумінню Всесвіту. Іншими словами, відстані були занадто великими і, згідно з даними червоного зсуву наднових, Всесвіт розширювався набагато швидше, ніж повиннне був. Якраз це вчені і списали на дію вищезгаданої темної енергії.

Щоправда, припущення про швидке розширення Всесвіту й існування темної енергії базувалося на тому, що яскравість наднових типу Ia не еволюціонує в залежності від їх віку і відстані до них.

Фото: NASA / ESA Hubble Space Telescope

Астрономи з південнокорейського Університету Йонсей пішли іншим шляхом і вирішили виміряти відстані до найвіддаленіших галактик за допомогою спектроскопічних спостережень. Такий метод дозволяє засікти електромагнітне випромінювання від зірок у галактиках, де розташовані наднові.

Згідно з попередніми даними дослідження, які опублікували в матеріалі на порталі Phys.org, вчені з Південної Кореї останні кілька років спостерігали за 30 надновими типу Ia у віддалених галактиках і помітили, що їх яскравість все ж залежить від відстані та віку.

Спектроскопічні спостереження показали, що такі наднові в молодих галактиках є менш яскравими для нас, ніж наднові в старих галактиках. Цей висновок ставить під загрозу гіпотезу про існування темної енергії, оскільки припущення вчених про швидке розширення Всесвіту засновані саме на тому, що світність наднових незмінна.

У глобальному розумінні робота південнокорейських астрономів говорить, що Всесвіт може мати набагато менші розміри, ніж ми вважали до цього, тому відпадає необхідність у темній енергії, яка досі була єдиним поясненням швидкого розширення простору.

«Приймаючи його за чисту монету, результат нашого дослідження передбачає, що ~100% доказів темної енергії просто зникають. Це буде підтверджено майбутніми спостереженнями», — кажуть автори дослідження.

Звичайно, нове дослідження потрібно буде ще неодноразово перевірити, але якщо дані виявляться вірними — це може перевернути наше розуміння простору у Всесвіті і навіть позбавити Нобелівської премії трьох учених із США.

Фото: ESA/NASA

(не) Фейкова нагорода

У 2011-му році Нобелівський комітет нагородив премією з фізики трьох американських вчених — астрофізиків Сола Перлмуттера, Брайана Шмідта і Адама Рісса. Дослідники поділили нагороду «За відкриття прискореного розширення Всесвіту за допомогою спостереження за далекими надновими».

Саме вони запропонували використовувати світло від наднових типу Іа для визначення відстаней до далеких об’єктів у космосі та прийшли до висновку, що Всесвіт розширюється швидше, ніж вчені вважали до цього.

«Вважається, що прискорення обумовлене темною енергією, але що це за темна енергія, залишається, можливо, найбільшою загадкою у фізиці сьогодні. Відомо, що темна енергія становить близько трьох чвертей Всесвіту. Тому висновки Нобелівських лауреатів з фізики 2011 року допомогли розкрити Всесвіт, який значною мірою невідомий науці», — зазначено в прес-релізі Нобелівського комітету.

Фото: nobelprize.org

Схожі дискусії ведуться навколо присудження Нобелівської премії з фізики британцю Пітеру Хіггсу в 2013-му, який за допомогою Великого адронного коллайдера виявив бозон, згодом названий на його честь.

Бозон Хіггса повинен був допомогти пояснити, звідки береться маса у деяких елементарних частинок і стати новим етапом на шляху до розуміння властивостей гравітації в квантовому світі, проте, багато вчених і експертів вважають, що це відкриття є перебільшеним і не несе особливої цінності для теоретичної фізики.

У випадку ж з темною енергією розрахунки астрономів з Південної Кореї можуть похитнути основи сучасної космології, адже, якщо вони виявляться вірними, провідним вченим доведеться переглядати відстані до віддалених об’єктів у Всесвіті та швидкість його розширення.

«За словами Карла Сагана, екстраординарні твердження вимагають екстраординарних доказів, але я не впевнений, що у нас є такі екстраординарні докази темної енергії. Наш результат показує, що темна енергія з космології наднових, яка привела до Нобелівської премії з фізики в 2011-му, може бути артефактом крихкого і помилкового припущення», — каже автор дослідження Янг Вук Лі з Університету Йонсей у Сеулі.

Варто відзначити, що той самий лауреат Нобелівської премії з фізики 2011-го Адам Рісс, який зараз є професором астрофізики в Університеті Джонса Хопкінса, вважає, що в роботі південнокорейських вчених можуть бути перекручені дані про вік галактик, де знаходяться найновіші зірки, тому роботу варто ретельно перевірити.

Крім того, червоне свічення наднових типу Ia і відстань до них не є єдиними аргументами на користь темної енергії, — фундаментальне для космології реліктове випромінювання (мікрохвильовий фон, який залишився від речовини, що виникла на ранніх етапах формування Всесвіту) також передбачає наявність додаткових, невидимих нам сил, які можуть відповідати за швидке розширення Всесвіту.

Фото: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Плутанина з розширенням Всесвіту його її формою

Розбіжності з приводу темної енергії і швидкості розширення Всесвіту — це одне з найскладніших питань у астрофізиці, і вчені з усього світу часто публікують нові дані, які нібито спростовують попередні дослідження.

Наприклад, виходячи зі згаданого вище закону Хаббла, вчені також ламають голову над точним виміром постійної Хаббла, — швидкості розширення Всесвіту. До серпня 2019 року цей показник становив 67,4 (Км/с)/мегапарсек (один парсек = 3,26 світлових років або 30,8 трлн км). Це підрахували вчені з Європейського космічного агентства (ESA) за допомогою космічної обсерваторії Planck, яка аналізує реліктове випромінювання.

Але астрофізики, які аналізують дані з телескопа Hubble, вирішили виміряти постійну Хаббла за допомогою скупчення зірок-цефеїд у Великій Магеллановій Хмарі на відстані близько 7 тис. світлових років від нас. Підрахунки, засновані на частоті мерехтіння цефеїд показали, що постійна Хаббла становить 73,4 (км/с)/мегапарсек.

Якщо вірити цим даним, швидкість розширення Всесвіту повинна бути ще більше, а не менше, як про це заявили астрономи з Південної Кореї. В такому випадку, нам ніяк не обійтися без темної енергії.

Як би там не було, в листопаді 2019-го представники Римського університету Ла Сапієнца і Паризького інституту астрофізики пішли далі і шокували громадськість заявою про те, що Всесвіт може бути не нескінченним, і, ймовірно, він вже розширився до своїх максимальних розмірів.

Твердження про те, що Всесвіт нескінченний має фізичний і математичний доказ: згідно з чинними космологічними теоріями, весь простір навколо нас, швидше або повільніше, поступово розширюється у всіх напрямках, і в ньому дотримується Евклідова геометрія. Тобто, паралельні прямі будь-якої довжини у Всесвіті ніколи не перетнуться, а сума кутів будь-якого трикутника буде дорівнювати 180 градусам.

Астрофізики доводять рівномірне розширення Всесвіту в усіх напрямках за допомогою визначення щільності речовини в ній: концентрація всієї матерії й енергії, включаючи гіпотетичні темні енергію та матерію, повинна врівноважувати енергії зовнішнього розширення і внутрішнього гравітаційного тяжіння.

Фото: hubblesite.org

На початку 2000-х дослідники визначили критичну щільність матерії у Всесвіті — 5,7 атомів водню на квадратний метр. Цей показник підтверджує, що Всесвіт є відкритим пласким і нескінченним. Але, в кінці 2019-го астрофізики з Італії та Франції опублікували дослідження, згідно з яким показник щільності матерії у Всесвіті становить на 5% більше, ніж діюча постійна критична щільності.

Якщо це насправді так, в моделі постійного розширення Всесвіту повинна переважати гравітація, а весь простір навколо нас у якийсь час міг зхлопнутися через його позитивну кривизну. Іншими словами, Всесвіт може бути не нескінченним, а мати форму замкнутої сфери.

Як і у випадку з новим дослідженням південнокорейських вчених, астрофізики з Європи впевнені, що їхні розрахунки позитивної кривизни Всесвіту вірні «більш ніж на 99%».

Гіпотетично, таке дослідження дозволяє нам навіть визначити розміри Всесвіту, і означає, що подорожуючи з будь-якої точки в одному напрямку тривалий час, ми все одно повернемося в самий початок. І знову ця робота ставить під загрозу теорії про розширення Всесвіту і вмісту в ній темної енергії.

«Припущення про плаский Всесвіт може приховувати космологічну кризу, коли непорівнянні спостережувані властивості Всесвіту здаються взаємно несумісними. Подальші дослідження допоможуть з’ясувати, чи є ці розбіжності наслідком непоміченої систематики, нової фізики або просто статистичної похибки», — писали астрофізики.