Решение одной из великих загадок космологии

В недавнем исследовании предлагается решить проблему "хаббловского противоречия" - расхождения в измерениях скорости расширения Вселенной - с помощью альтернативной MOND-теории гравитации. Согласно этой теории, наблюдаемые расхождения объясняются локальными изменениями плотности материи.

Исследование университетов Бонна и Сент-Эндрюса предлагает новое возможное объяснение хаббловского растяжения.

Вселенная расширяется. Скорость ее расширения описывается так называемой постоянной Хаббла-Лемайтра. Однако существует спор о том, насколько велика эта постоянная в действительности: Различные методы измерения дают противоречивые значения. Эта так называемая "хаббловская напряженность" представляет собой загадку для космологов. Исследователи из Боннского и Сент-Эндрюсского университетов предлагают новое решение: Используя альтернативную теорию гравитации, расхождение в измеренных значениях можно легко объяснить - напряжение Хаббла исчезает. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Понимание расширения Вселенной

В результате расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга. Скорость, с которой они это делают, пропорциональна расстоянию между ними. Например, если галактика A находится в два раза дальше от Земли, чем галактика B, ее расстояние от нас также увеличивается в два раза быстрее. Американский астроном Эдвин Хаббл был одним из первых, кто осознал эту связь.

Чтобы рассчитать, с какой скоростью две галактики удаляются друг от друга, необходимо знать, на каком расстоянии друг от друга они находятся. Однако для этого также необходима константа, на которую нужно умножить это расстояние. Это так называемая постоянная Хаббла-Леметра, фундаментальный параметр космологии. Ее значение можно определить, например, глядя на очень удаленные области Вселенной. Это дает скорость почти 244 000 километров в час на мегапарсек расстояния (один мегапарсек - это чуть больше трех миллионов световых лет).

Расхождение в измерениях

"Но вы также можете посмотреть на небесные тела, которые находятся гораздо ближе к нам - так называемые сверхновые категории 1a, которые представляют собой определенный тип взрывающихся звезд", - объясняет профессор д-р Павел Крупа из Института радиационной и ядерной физики имени Гельмгольца при Боннском университете. Можно очень точно определить расстояние сверхновой звезды 1a до Земли. Мы также знаем, что светящиеся объекты меняют цвет, когда удаляются от нас - и чем быстрее они движутся, тем сильнее изменения. Это похоже на машину скорой помощи, сирена которой звучит глуше, когда она удаляется от нас.

Если теперь вычислить скорость сверхновых 1a по их цветовому сдвигу и соотнести ее с расстоянием, то мы получим другое значение постоянной Хаббла-Лемайтра - чуть меньше 264 000 километров в час на мегапарсек расстояния. "Поэтому кажется, что вблизи нас - то есть на расстоянии около трех миллиардов световых лет - Вселенная расширяется быстрее, чем в целом", - говорит Кроупа. "А на самом деле такого быть не должно".

Однако недавно было сделано наблюдение, которое может это объяснить. Согласно ему, Земля находится в области пространства, где относительно мало материи - сравнимо с пузырьком воздуха в пироге. Вокруг пузыря плотность материи выше. Из этой окружающей материи исходят гравитационные силы, которые тянут галактики в пузыре к краям полости. "Вот почему они удаляются от нас быстрее, чем можно было бы ожидать, - объясняет доктор Индранил Баник из Университета Сент-Эндрюс. Поэтому отклонения можно объяснить просто местной "недостаточной плотностью".

Другая исследовательская группа недавно измерила среднюю скорость большого числа галактик, удаленных от нас на 600 миллионов световых лет. "Оказалось, что эти галактики удаляются от нас в четыре раза быстрее, чем позволяет стандартная модель космологии", - объясняет Сергей Мазуренко из исследовательской группы Крупы, участвовавший в нынешнем исследовании, замена замков екатеринбург.

Пузырь в тесте Вселенной

Это происходит потому, что стандартная модель не предусматривает таких пониженных плотностей или "пузырей" - они не должны существовать на самом деле. Вместо этого материя должна быть равномерно распределена в пространстве. Однако если бы это было так, то было бы трудно объяснить, какие силы приводят галактики в движение с большой скоростью.

"Стандартная модель основана на теории природы гравитации, выдвинутой Альбертом Эйнштейном", - говорит Крупа. "Однако гравитационные силы могут вести себя не так, как предполагал Эйнштейн". Рабочие группы из университетов Бонна и Сент-Эндрюса использовали модифицированную теорию гравитации в компьютерном моделировании. Эта "модифицированная ньютоновская динамика" (сокращенно MOND) была предложена четыре десятилетия назад израильским физиком профессором доктором Мордехаем Милгромом. Сегодня она все еще считается аутсайдерской теорией. "Однако в наших расчетах MOND точно предсказывает существование таких пузырей", - говорит Крупа.

Если предположить, что гравитация действительно ведет себя в соответствии с предположениями Милгрома, то хаббловское натяжение исчезнет: На самом деле для расширения Вселенной существовала бы только одна константа, а наблюдаемые отклонения были бы связаны с нарушениями в распределении материи.