Касмічны мікрахвалевы фон (ён жа рэліктавага выпраменьвання) з'явіўся ўсяго праз 380 000 год пасля Вялікага выбуху і з'яўляецца самым старым назіраным выпраменьваннем ў сусвеце. Вывучаючы заканамернасці, захаваныя ў гэтым старажытным выпраменьванні, навукоўцы могуць выказаць здагадку ўзрост, памер і буйнамаштабную структуру Сусвету.

У пачатку уся прастора была запоўнена гукам. Гэта было адразу ж пасля вялікага выбуху, і сусвет была напоўнена гарачай плазмай - энергетычным супам з часціц і радыяцыі. Хоць гэтая плазма была дзіўна аднастайнай, у ёй усё ж здараліся флуктуацыі. Па словах Лойда Нокс, касмалогія з Каліфарнійскага універсітэта ў Дэвісе, былі невялікія градыенты шчыльнасці і ціску, якія змінаць матэрыял вакол сябе, «а калі адбываецца рух асяроддзя - узнікаюць гукавыя хвалі».

Гукавыя ваганні былі паўсюль і настолькі моцнымі, што мы ўсё яшчэ можам адчуць іх 13.8 мільярдаў гадоў праз. Яны быў знойдзены непасрэдна ў касмічнай мікрахвалевым фоне - послесвечении, пакінутым ад загасальнага агністага шара вялікага выбуху, і былі старанна прааналізаваны з дапамогай той жа базавай фізікі, якая выкарыстоўвалася для вывучэння структуры Сонца. Фактычна, першапачатковая рэверберацыя (працэс паступовага памяншэння інтэнсіўнасці гуку пры яго шматразовых адлюстраваннях - заўв. Перакл.) Настолькі добра вымераная і змадэляваныя, што выкарыстоўвалася для вызначэння дакладнай хуткасці, з якой пашыраецца сусвет - лікі, вядомага як пастаянная Хабла. Гэтая канстанта, у сваю чаргу, з'яўляецца краевугольным каменем нашага сучаснага разумення памераў, ўзросту і структуры сусвету.

Але гэты ўяўны трыумф нядаўна прывёў Нокс і яго калег у супярэчнасць і замяшанне. Калі пераважныя тэорыі сусвету верныя, то ўсе спосабы вылічэнні пастаяннай Хабла ў сучасную эпоху павінны даць адзін і той жа адказ. Значэнне, атрыманае шляхам экстрапаляцыі старажытных гукавых хваляў, павінна дакладна супадаць са значэннем, атрыманых у выніку незалежных даследаванняў святла ад далёкіх зорак і галактык. На самай справе, серыя даследаванняў паказвае, што два падыходу прыводзяць да непрыемных рознагалоссям - і чым больш старанна даследчыкі вырашаюць праблему, тым больш вызначаным здаецца канфлікт.

Таксама не варта выключаць таго, што хтосьці з касмалогіі глабальна памыляецца. Аднак, па меры назапашвання доказаў, Нокс прыйшоў да іншага высновы: віна ляжыць не на яго калегах, а на самой сусвету. Калі гэта так, то высвятленне таго, чаму прастора не гучыць так, як яны чакалі, можа прывесці касмалогіі да раней невядомай фізіцы, патэнцыйна раскрываючы зусім новы аспект рэальнасці. Нокс і яго сааўтары даследуюць гэтую прывабную магчымасць у новым даследаванні, якое павінна з'явіцца ў астрафізічнай часопісе. «За апошнія два гады, - кажа ён, - я перайшоў ад думкі« павінна быць, яны нешта зрабілі няправільна », да« ух ты, можа, яны як раз не памыляліся ». Можа быць, гэта ключ, якога я так доўга чакаў! »

У пагоні за гарызонтам


Эвалюцыя сусвету.

У сваёй працы Нокс і яго калегі засяроджваюць сваю ўвагу на гарызонце гуку - незразумелым, але важным аспекце таго, як касмалогія вывучаюць раннюю сусвет. Пасля вялікага выбуху гукавыя хвалі, якія ствараюцца змешваннем святла і рэчывы, свабодна распаўсюджваліся па гарачай, запоўненай плазмай сусвету. Праз прыкладна 380 000 год рэчыва дастаткова астыла, каб утварыць атамы, тым самым адлучыўшыся ад святла і спыніўшы развіццё гукавых хваль. Таму зараз мы можам назіраць застылы «узор» гукавых хваль у касмічным мікрахвалевым фоне.

Гукавы гарызонт вызначае памер гэтых фінальных хваль. «Як далёка маглі дасягнуць гукавыя абурэння да моманту знікнення плазмы? Гэтая адлегласць і ёсць гукавы гарызонт », - кажа Нокс.

Падобна таму, як вы можаце інтуітыўна ацаніць ўласцівасці званы па тым, як ён тэлефануе (маленькі шкляны звон гучыць зусім інакш, чым вялікі латуневы), даследчыкі могуць вывесці дакладныя ўласцівасці сусвету з яе гукаў, запісаных у мікрахвалевым фоне. Менавіта так яны могуць з упэўненасцю заявіць, што космас складаецца на 4.8% з звычайнай матэрыі, на 26% з нябачнага рэчывы, вядомага як цёмная матэрыя, і на цэлых 69% з цёмнай энергіі - загадкавай антыгравітацыйным сілы, якая расцягвае пустое прастору. Больш за тое, для нашай гісторыі гэта яшчэ адзін спосаб, з дапамогай якога можна атрымаць хуткасць пашырэння сусвету з высокай дакладнасцю.

У 2015 годзе каманда даследнікаў на чале з Джорджам Эфстатиу з Кембрыджскага універсітэта пачала аналіз мікрахвалевых вымярэнняў, атрыманых касмічным караблём Planck Еўрапейскага касмічнага агенцтва і раскрыла некаторыя характарыстыкі сусвету. Іх вынікі паказалі, што сусвет пашыраецца з хуткасцю 67.8 км / с на мегапарсек (мегапарсек - адзінка адлегласці, роўная 3.26 млн. Светлавых гадоў).

Між тым канкуруючыя групы астраномаў вывучалі пашырэнне сусвету зусім іншым спосабам, шукаючы зменныя зоркі або выбухі звышновых на вядомай адлегласці, а затым непасрэдна вымераючы, наколькі хутка яны выдаляюцца ад нас. Гэты метад «дыстанцыйнай лесвіцы» складаней, чым здаецца. Падлік адлегласцяў на працягу многіх мільёнаў светлавых гадоў з'яўляецца тонкай і працаёмкай задачай, звязанай з магчымасцю ўзнікнення многіх відаў сістэматычных памылак. Няправільна вызначыце месцазнаходжанне зоркі, і ўвесь разлік будзе памылковым.

«Кожны раз, калі вы падвышаеце дакладнасць, вы павінны перайсці з сістэматыкай на новы ўзровень. Гэта тое, што не дае мне спаць па начах », - кажа Вэндзі Фрыдман з Чыкагскага універсітэта, якая больш трох дзесяцігоддзяў займаецца вымярэннем пастаяннай Хабла. Устойліва душачы нявызначанасці і абапіраючыся на апошнія назірання пераменных зорак, яе група прыйшла да свайго высокадакладнай значэнні для канстанты: 73.2 - і ў гэтым заключаецца супярэчнасць. «Гэта ўражлівы прагрэс, калі гэтыя два ліку адпавядаюць з дакладнасцю да 10 адсоткаў», - кажа яна, але цяпер такое грубае адпаведнасць ўжо недастаткова добра. «Хібнасці, вядома, не перакрываюцца, і няма нічога відавочнага, што магло б выклікаць такую ​​розніцу». Каб вызначыць любыя невідавочныя праблемы, яна распрацоўвае новы тып вымярэння адлегласці, выкарыстоўваючы чырвоныя гіганцкія зоркі ў якасці апорных кропак. У той жа час яна праводзіць двайны сляпы эксперымент, каб паўторна прааналізаваць усе наяўныя ў яе дадзеныя на прадмет прадузятасці і памылак.


Зрушэнне святла ад галактык ў чырвоную вобласць з-за іх выдалення ад Зямлі.

Касмалогія з абодвух бакоў таксама звяртаюцца па дапамогу да знешніх групам, і пакуль што гэтыя "незалежныя суддзі» толькі паглыбляюць таямніцу. Даследаванне Каліфарнійскага універсітэта ў Лос-Анджэлесе, у якім разглядаецца, як святло выгінаецца далёкімі галактыкамі, дае значэнне пастаяннай Хабла, роўнае 72.5, што блізка да выніку Фрыдман. Між тым, гэтак жа пераканаўчае даследаванне, у якім разглядаецца, як першасныя гукавыя хвалі ўплываюць на размеркаванне галактык ў сучаснай сусвету, дае значэнне канстанты - як вы ўжо здагадаліся - роўнае 67. Разлікі пастаяннай Хабла, прывязанай да гукавога гарызонту, паслядоўна даюць меншы лік, чым тыя, якія заснаваныя на назіраннях зорак і галактык - і ніхто не ведае чаму.

Комплекс цёмнага космасу?

Ёсць адно магчымае рашэнне праблемы: усе вымярэння могуць быць правільнымі, а памыляюцца вучоныя з інтэрпрэтацыяй атрыманых вынікаў. Нокс адзначае, што ўсё, што мы ведаем пра паходжанне гукавога гарызонту, залежыць ад тэарэтычнай мадэлі паводзін сусвету на працягу яе першых 380 тысяч гадоў жыцця, пра якія мы амаль нічога не ведаем. Так што калі мадэлі памылковыя і памер гукавога гарызонту адрозніваецца ад прагназуемага, гэтая карэктоўка зменіць ўсе атрыманыя з яе колькасці, уключаючы пастаянную Хабла. «Калі ёсць касмалагічны рашэнне, яно павінна прывесці да меншага гукавым гарызонту», - кажа Нокс. Скароціце яго ўсяго на 7 адсоткаў, і ўсе даследаванні шчасліва узгадняюцца адно з адным. Праблема ў тым, што не зусім зразумела, што можа быць прычынай такога скарачэння. Практычна ва ўсіх адносінах мадэль і назірання цесна звязаны адзін з адным.

«Было вельмі складана прыдумаць рашэнне, якое ўсё выдатна тлумачыць. Гэта павінна быць нешта складанае, таму што мы ўжо выпрабавалі ўсе простыя рэчы », - кажа Марыус Миллеа, даследчык ў Цэнтры касмалагічную фізікі Берклі і адзін з суаўтараў артыкула Нокс. Ён адзначае, што значна прасцей шукаць рэчы, якія не працуюць: неадчыненае выгляд нейтрына? Нету. Новы тып ўзаемадзеяння паміж фатонамі? Зноў няма - усё гэта канфліктуюць з атрыманымі дадзенымі.

Найбольш пераканаўчым тлумачэннем, на думку Нокс, з'яўляецца тое, што ранняя сусвет пашыралася трохі хутчэй, чым чакалася. Калі гэта так, яна б астудзіць хутчэй і замарозіла б гукавой гарызонт крыху раней. Тады гукавой гарызонт будзе менш, чым той, які тэарэтыкі выкарыстоўваюць у сваіх мадэлях, і - вуаля, праблема вырашана! Ці, хутчэй, праблема проста перайначылі, таму што зараз вам трэба нейкае тлумачэнне таго, што прымусіла ранні космас пашырацца хутчэй.


Цёмная матэрыя тлумачыць, чаму хуткасць кручэння галактык больш, чым атрымліваецца пры разліках з выкарыстаннем толькі бачнага рэчывы.

У Нокс ёсць здагадка. «Патэнцыйна, гэта вядзе нас да новага інгрэдыента ў« цёмным сектары », - кажа ён, маючы на ​​ўвазе унівэрсальны тэрмін касмалогія для нябачных кампанентаў сусвету, якія ніяк не ўзаемадзейнічаюць з выпраменьваннем. Даследчыкі ўжо выкарыстоўваюць цёмную матэрыю, каб растлумачыць рух галактык, і цёмную энергію, каб растлумачыць якое паскараецца пашырэнне сусвету. Нокс сцвярджае, што разбежныя вымярэння пастаяннай Хабла могуць быць першым прыкметай існавання трэцяга цёмнага кампанента - «цёмнага турба», якое дадавала энергію ранняй сусвету, тым самым паскараючы яе пашырэнне. Звязаная з гэтым магчымасць - цёмная энергія мае больш за адну формы або змяняецца з часам складанымі спосабамі. Нядаўняе даследаванне 1598 далёкіх квазараў (вельмі яркіх ядраў галактык - заўв. Перакл.), Праведзенае на рэнтгенаўскай абсерваторыі НАСА «Чандра», дае інтрыгуюць, калі не папярэднія, доказы для апошняй інтэрпрэтацыі.

Можа здацца падманам заклікаць нешта новае і нябачная для тлумачэння заблытанага выніку, але Нокс глядзіць на сітуацыю процілеглым чынам: канфлікт у вымярэннях пастаяннай Хабла можа паказваць новы аспект сусвету, які да гэтага часу цалкам вышмыгваў ад выяўлення. І ён не бачыць нічога дзіўнага ў тым, што існуе мноства відаў цёмных элементаў, і паказвае на тое, што бачная частка сусвету змяшчае шмат розных тыпаў часціц і сіл, адкуль узнікае лагічнае пытанне: чаму цёмная бок космасу не можа быць такой жа складанай?

Ва ўсякім разе, гэта не філасофская дыскусія, а канкрэтны навуковы пытанне. Новыя назірання ранняй сусвету з дапамогай тэлескопа ў Антарктыдзе і тэлескопа Атакама ў Чылі дазволяць дадаткова даследаваць гукавой гарызонт. Нокс таксама ўдзельнічае ў стварэнні новага прыбора пад назвай CMB-S4, які закліканы адлюстраваць палярызацыю мікрахвалевага неба з вялікай адчувальнасцю. Далей, Фрыдман амаль скончыла свой ўсебаковы паўторны аналіз дадзеных. Новыя даследаванні гравітацыйных хваль таксама пададуць цалкам незалежны спосаб ацаніць сапраўднае значэнне пастаяннай Хабла.

Дастаткова хутка дадзеныя ўсталююць, пераследуюць Ці навукоўцаў памылкі, ці ж яны рухаюцца наперад у нязведанай вобласці космасу. «Значна цікавей, калі гэта апынецца фундаментальна новая фізіка, але мы не хочам, каб гэта было так ці інакш», - кажа Фрыдман. «Сусвету не важна, што мы думаем!»