Космология стоит на пороге потрясения, сравнимого разве что с отказом от геоцентрической картины мира. Новое исследование, только что представленное научному сообществу, бьёт в самое сердце современной физики — гипотезу тёмной энергии. Если выводы учёных подтвердятся, нам придётся признать: ускоренное расширение Вселенной, за открытие которого в 2011 году дали Нобелевскую премию, может оказаться грандиозной иллюзией, порождённой нашим особым положением в космосе.

Авторы работы — профессор Субир Саркар и его коллеги Мохамед Рамиз и Анимеш Сах из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи — не просто предлагают очередную альтернативную гипотезу. Они указывают на фундаментальные трещины в самом фундаменте, на котором стоит стандартная космологическая модель ΛCDM. И трещины эти, похоже, невозможно залатать косметическим ремонтом.

Кирпичики стандартной модели

Чтобы понять масштаб претензий, стоит вспомнить, как устроено наше нынешнее представление о Вселенной. С конца 1920-х годов, когда Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, мы знаем, что космос расширяется. Долгое время считалось, что расширение это происходит с примерно постоянной скоростью или даже слегка замедляется под действием гравитации. Но в 1990-е всё перевернулось.

Наблюдения за особым типом взрывающихся звёзд — сверхновыми типа Ia — показали нечто неожиданное. Эти космические маяки, вспыхивающие с почти одинаковой собственной яркостью, позволили астрономам очень точно измерять расстояния. И выяснилось, что далёкие сверхновые выглядят тусклее, чем должны бы, если бы Вселенная расширялась равномерно. Интерпретация была однозначной: расширение ускоряется. Будто что-то расталкивает галактики всё сильнее, преодолевая гравитацию.

Эту загадочную антигравитацию назвали тёмной энергией. Считается, что она составляет около 70% всего содержимого Вселенной. По сути, это современное воплощение космологической постоянной, которую Альберт Эйнштейн ввёл в уравнения общей теории относительности ещё в 1917 году, а потом назвал своей «величайшей ошибкой». Сегодня тёмная энергия — краеугольный камень стандартной космологической модели ΛCDM (лямбда-CDM), где лямбда как раз и обозначает эту самую постоянную.

Кстати, мы уже подробно рассказывали о том, как тёмная энергия разгоняет Вселенную — три десятилетия наблюдений за десятью тысячами галактик, казалось, не оставляли сомнений в её реальности. Но, возможно, те выводы были преждевременными.

Помимо сверхновых, у модели ΛCDM есть и другие опоры. Это тончайшие колебания температуры реликтового излучения — «послесвечения» Большого взрыва, — и отпечатки барионных акустических осцилляций (звуковых волн ранней Вселенной) в распределении галактик. Все эти наблюдения, на первый взгляд, складываются в стройную картину. Но есть нюанс.

Неудобная асимметрия

Все стандартные анализы данных — будь то реликтовое излучение, барионные осцилляции или сверхновые — проводятся в рамках специального решения уравнений Эйнштейна, известного как метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW). Эта математическая конструкция опирается на так называемый космологический принцип: предположение, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна — выглядит одинаково во всех направлениях.

Именно этот принцип и поставили под сомнение Саркар и его команда. Их работа выявила свидетельства того, что Вселенная асимметрична. Это явление известно как «космическая дипольная аномалия», и оно не вписывается в ΛCDM. Нельзя просто подкрутить параметры модели, чтобы учесть эту аномалию — она требует пересмотра самих основ.

Нобелевский лауреат по физике Джим Пиблз, один из отцов современной космологии, отмечал, что космическая дипольная аномалия — примерно такой же надёжно установленный факт, как и знаменитая «хаббловская напряжённость» (расхождение в измерениях скорости расширения Вселенной). Однако, по его словам, аномалия привлекла лишь малую долю того внимания, что досталось хаббловской проблеме. И зря.

Исследователи показали: ускорение расширения, выведенное из наблюдений сверхновых типа Ia, не одинаково во всех направлениях. Более того, сигнал от сверхновых удивительным образом совпадает с перепадом температур в реликтовом излучении — так называемой дипольной анизотропией CMB. Традиционно эту анизотропию объясняют движением Солнечной системы относительно космического фона. Но если ускорение «привязано» к этому же направлению, то дело, вероятно, вовсе не в тёмной энергии.

Иллюзия «наклонённых наблюдателей»

Авторы исследования предлагают радикально иное объяснение. Мы — «наклонённые наблюдатели». Земля находится не в произвольной точке Вселенной, а внутри огромной космической структуры, где соседние галактики участвуют в крупномасштабном, но локальном потоке — так называемом балковом течении (bulk flow). Это коллективное движение и создаёт иллюзию ускоренного расширения, когда мы смотрим в определённом направлении.

Примерно об этом же мы писали в материале «Земля в космическом пузыре: ускорение Вселенной — мираж?» — оксфордские астрофизики тогда предположили, что наша Галактика может находиться внутри гигантской пустоты, почти лишённой материи, что и искажает наблюдения. Новая работа развивает эту линию, но подкрепляет её более детальным анализом.

Ключевой момент — пересмотр связи между собственной яркостью сверхновых типа Ia и их расстоянием. Считалось, что все такие сверхновые — стандартные свечи, то есть взрываются с одинаковой силой. Но это допущение, возможно, слишком смелое. Астрономы из Южной Кореи обнаружили свидетельства того, что возраст белых карликов-прародителей влияет на яркость вспышки. Правда, другая группа учёных оспорила эти выводы, так что ясности пока нет.

Саркар и его коллеги пошли дальше. Когда они внесли поправку на зависимость яркости от возраста прародителя, картина перевернулась. Вместо ускорения данные указали на замедление расширения Вселенной — именно то, что ожидалось бы в мире безо всякой тёмной энергии. Для большинства космологов, убеждённых в существовании ΛCDM благодаря данным по реликтовому излучению, это станет шоком.

Однако, как подчёркивают авторы, температурные флуктуации CMB вообще не чувствительны к тёмной энергии. Они зависят от кривизны пространства, плотности барионной материи и плотности тёмной материи. Вопрос о тёмной энергии целиком упирается в изотропность распределения вещества — то есть в то, действительно ли Вселенная одинакова во всех направлениях. А наблюдения говорят, что нет.

Сопротивление и сомнения

Как и следовало ожидать, работа встретила скептицизм. Большинство исследователей пока не готовы отказываться от ΛCDM, ссылаясь на множество независимых линий доказательств ускоренного расширения. На недавней конференции Королевского общества в Лондоне, посвящённой трещинам в стандартной модели, звучали голоса о том, что прошлые успехи ΛCDM могли быть отчасти следствием «предвзятости подтверждения» — бессознательной склонности отдавать предпочтение данным, которые укладываются в привычную картину, и игнорировать то, что в неё не вписывается.

Но одно дело — говорить о предвзятости вообще, и совсем другое — предъявить конкретную аномалию, которая не лечится подгонкой параметров. Космическая дипольная аномалия — именно такой случай. Она требует не ремонта, а сноса старого здания и возведения нового — модели, построенной на наблюдениях, а не на философском принципе однородности.

Если выводы Саркара и его коллег подтвердятся, последствия будут грандиозными. Тёмная энергия, десятилетиями считавшаяся главной силой в космосе, окажется миражом. Стандартная космологическая модель ΛCDM, возможно, падёт. А физикам придётся искать совершенно новые объяснения тому, как устроена и куда движется наша Вселенная.

Пока же научное сообщество замерло в ожидании. Новые телескопы и обзоры неба в ближайшие годы либо укрепят позиции скептиков, либо окончательно развеют сомнения. Но одно можно сказать уже сейчас: спокойные времена в космологии закончились. Фундамент трещит, и игнорировать этот треск становится всё труднее.