Сквозь туман времени: ученые меняют теорию Эйнштейна, чтобы объяснить расширение Вселенной

Теория гравитации Эйнштейна, также известная как общая теория относительности, является краеугольным камнем современной космологии. Она неоднократно подтверждалась экспериментальными данными и помогла объяснить множество космических явлений, таких как гравитационное линзирование, обнаруженное Артуром Эддингтоном в 1919 году, аномалии в орбите Меркурия, галактические красные смещения и гравитационные волны.

Однако, астрономические наблюдения на границе космологического горизонта, где самые дальние галактики удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света, предполагают, что гравитация может вести себя иначе на самых больших масштабах. Ученые предложили улучшить теорию Эйнштейна, добавив к его уравнениям простую «сноску», что можно рассматривать как «космический сбой» в понимании гравитации.

Космолог Нияеш Афшорди, старший автор нового исследования, опубликованного в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , описывает модель «космического сбоя» как расширение теории гравитации Эйнштейна. Афшорди и его коллеги предполагают, что эта сноска не только объясняет наблюдаемые расхождения на больших масштабах, но и помогает смягчить другие напряженности в астрономии, где предсказания лучших теорий не совпадают с астрономическими наблюдениями, включая скорость расширения Вселенной и обилие сверхскоплений галактик.

Модель космического сбоя основана на теоретических вызовах эйнштейновской гравитации. «С точки зрения наблюдений, эти аномалии в данных существуют уже более десяти лет», — говорит Афшорди, профессор астрофизики из Университета Ватерлоо и исследователь Института Периметра.

На протяжении последних десятилетий ученые предприняли множество попыток изменить эйнштейновскую гравитацию, чтобы она лучше соответствовала наблюдениям. Одной из таких теорий является « массовая гравитация », предложенная теоретическим физиком Клаудией де Рам из Имперского колледжа Лондона. Другая теория — MOND, которая применяет модифицированную ньютоновскую динамику и была разработана как альтернатива теориям темной материи. Также существуют теории ранней темной энергии , которые предполагают, что темная энергия, отвечающая за расширение Вселенной, была гораздо сильнее в первые 100 000 лет после Большого взрыва.

В отличие от этих теорий, которые основываются на расхождениях в данных, модель космического сбоя исходит из фундаментальных теоретических вызовов эйнштейновской гравитации. Среди этих вызовов — предложение Хоравы-Лифшица , которое предполагает, что квантовая гравитация работает иначе при высоких энергиях, и структура Эйнштейна-эфира, которая вновь вводит динамическую форму «эфира», от которой Эйнштейн стремился избавиться.

Афшорди отмечает, что их теория была разработана, чтобы примирить эти теоретические проблемы, а затем они решили проверить, насколько эта теория соответствует наблюдательным данным, полученным телескопом Планк, который изучал космическое микроволновое фоновое излучение с 2009 по 2013 год. Результаты оказались удивительными.

Обычно значение гравитационной постоянной в уравнениях Эйнштейна точно объясняет почти все наблюдаемые явления во Вселенной. Однако уравнения, связанные с наблюдениями на космологическом горизонте, требуют другого значения гравитационной постоянной.

Коллега Афшорди и соавтор исследования Робин Вен, недавно окончивший Университет Ватерлоо и сейчас обучающийся в Калифорнийском технологическом институте, поясняет, что эффект заключается в том, что гравитация становится примерно на 1% слабее на расстояниях, охватывающих миллиарды световых лет.

Исследователи обнаружили, что применение их модели космического сбоя также снижает две важные напряженности в астрономии. Наиболее значительной является знаменитая Хаббловская напряженность: расхождение в значениях постоянной Хаббла, представляющей скорость расширения Вселенной. Наблюдения космического микроволнового фонового излучения дают одно значение постоянной Хаббла, тогда как наблюдения, основанные на «стандартных свечах» — сверхновых в далеких галактиках, дают другое значение. Модель космического сбоя также снижает ключевой компонент напряженности кластеризации, измеряющей неожиданное обилие сверхскоплений галактик во Вселенной.

Однако, модель космического сбоя ухудшает точность предсказаний барионных акустических осцилляций (BAO) — «рябей» в средних расстояниях между галактиками, вызванных давлением волн, возникших в ранней Вселенной. Но авторы надеются, что эти расхождения могут быть улучшены с помощью лучших моделей и наблюдений.

В течение следующих нескольких лет обсерватория CMB Stage 4 и космический телескоп Euclid планируют собрать новые наблюдения космического фонового излучения и миллиардов галактик на расстоянии 10 миллиардов световых лет, но с точностью в четыре раза большей, чем те, которые использовали Афшорди и его коллеги в своих расчетах.