Новые данные могут привести к кризису в космологии

Сегодня мы видим бесчисленные звезды и галактики, сверкающие во Вселенной, но сколько материи там на самом деле? Вопрос достаточно простой, однако ответ на него оказывается весьма головокружительным. 

Эта дилемма существует во многом потому, что текущие космологические наблюдения расходятся во мнениях относительно того, как материя распределена в современной Вселенной.

Помочь с этим вопросом может новая компьютерная симуляция, которая прослеживает как все элементы Вселенной — обычная материя, темная материя и темная энергия — развиваются в соответствии с законами физики. Симуляция виртуально показывает галактики и скопления галактик в виде, так называемой космической, паутиной. Эта паутина представляет собой крупнейшую структуру во Вселенной, состоящую из нитей, состоящих как из обычной материи, или барионной материи, так и из темной материи.

В отличие от предыдущих симуляций, в которых рассматривалась только темная материя, новая работа, выполненная в рамках проекта под названием FLAMINGO (сокращение от Full-Hydro Large-scale Structure Simulations), отслеживает и обычную материю.

«Хотя темная материя доминирует, вкладом обычной материи больше нельзя пренебрегать, — говорит Йооп Шайе, профессор Лейденского университета в Нидерландах и соавтор трех новых исследований по проекту «ФЛАМИНГО».

Астрономы говорят, что компьютерное моделирование, подобное этому, также поможет определить причину серьезного несоответствия в космологии, называемого «напряжением S8». Это спор о том, как распределена материя в космосе.

Исследуя Вселенную, астрономы иногда работают с так называемым параметром S8. Этот параметр в основном характеризует, насколько «комковатой» или сильно кластеризованной является вся материя в нашей Вселенной, и его можно точно измерить с наблюдений с низким красным смещением. Астрономы используют красное смещение, чтобы измерить, насколько далеко объект находится от Земли, а исследования с низким красным смещением, такие как «обследования слабым гравитационным линзированием», могут пролить свет на процессы, разворачивающиеся в далекой и, следовательно, более старой Вселенной. 

Но значение S8 также можно предсказать, используя стандартную модель космологии; ученые могут, по сути, настроить модель так, чтобы она соответствовала известным свойствам космического микроволнового фона (CMB), который представляет собой излучение, оставшееся от Большого взрыва, и на основе этого вычислить комковатость материи. 

Итак, вот в чем дело. 

Эти эксперименты по реликтовому излучению обнаружили более высокое значение S8, чем исследования слабого гравитационного линзирования. И космологи не знают почему — они называют это несоответствие «напряжением S8».

Фактически, напряжение S8 — это назревающий кризис в космологии, немного отличающийся от своего знаменитого двоюродного брата: напряжения Хаббла, которое относится к несоответствиям, с которыми сталкиваются ученые, пытаясь определить скорость расширения Вселенной.

Причина, по которой важно то, что новая симуляция команды не предлагает ответа на напряжение S8, заключается в том, что в отличие от предыдущих симуляций, которые учитывали только влияние темной материи на развивающуюся Вселенную, последняя работа также учитывает эффекты обычной материи. В отличие от темной материи, обычная материя управляется гравитацией, а также давлением газа во Вселенной. Например, галактические ветры, вызванные взрывами сверхновых, и активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры, являются важнейшими процессами, которые перераспределяют обычную материю, выбрасывая ее частицы в межгалактическое пространство. 

Однако даже рассмотрения в новой работе только обычной материи, а также некоторых из самых сильных галактических ветров не смогло объяснить слабое скопление материи, наблюдаемое в современной Вселенной.

«Здесь я в растерянности, — поясняет Шэй. - Напряженность указывает на недостатки стандартной модели космологии или даже стандартной модели физики».

Однако компьютерное моделирование, подобное тому, что провел ФЛАМИНГО, могло бы приблизить нас на шаг к истине. Большая виртуальная карта космоса может помочь выявить возможные ошибки в наших текущих измерениях. Астрономы постепенно исключают более приземленные объяснения этой проблемы, например, тот факт, что она может быть связана с общей неопределенностью в наблюдениях за крупномасштабными структурами или связана с проблемой реликтового излучения. 

Другое предположение, что эффекты обычной материи намного сильнее, чем в текущих симуляциях. Однако это тоже кажется маловероятным, поскольку моделирование очень хорошо согласуется с наблюдаемыми свойствами галактик и скоплений галактик.

Все эти возможности чрезвычайно интересны и имеют важные последствия для фундаментальной физики и космологии. Однако самая захватывающая возможность заключается в том, что Стандартная модель неверна.

Например, темная материя может обладать экзотическими самодействующими свойствами, не учтенными в стандартной модели — напряжение S8 может сигнализировать о разрушении нашей теории гравитации в макро масштабах.

Вот главный вопрос: при низких красных смещениях Вселенная значительно менее неоднородна, чем предсказывает стандартная модель. Но измерения, которые исследуют структуры Вселенной  между   измерениями реликтового излучения и измерениями с низким красным смещением, полностью согласуются с предсказаниями стандартной модели. Кажется, что на протяжении значительной части космической истории Вселенная вела себя так, как и ожидалось, но позже в космической истории что-то изменилось.

Возможно, ключ к разрешению напряженности S8 лежит в ответе на то, что именно послужило причиной этих изменений.

Это исследование описано в трех статьях, опубликованных в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».