Художественное изображение темной материи в крупномасштабной структуре Вселенной.
Стандартная космологическая модель «Лямбда-CDM» утверждает, что Вселенная состоит из обычной, или барионной, материи, темной энергии и темной материи. Последние две материи до сих пор неизвестны и в настоящее время являются предметом различных исследований и анализов. И вот, спустя совсем немного времени, два исследования, проведенные разными командами и основанные на разных предположениях, гипотезах и моделях, позволили предположить, что в нашей Вселенной нет темной материи.
Первое из них основано на исследовании, опубликованном в июле 2023 года, в котором профессор Раджендра Гупта из Университета Оттавы предположил, что возраст Вселенной, в которой мы живем, может составлять не 13,797 миллиарда лет, как предсказывает Лямбда-CDM модель. Вместо этого в новой космологической модели «CCC+TL» ей будет 26,7 миллиарда лет, или в два раза больше. Недавно исследователь опубликовал работу, подтверждающую, что в этой Вселенной возрастом 26,7 миллиарда лет не было бы места для темной материи.
Вторая работа принадлежит авторам Джонатану Оппенгейму и Андреа Руссо из Университетского колледжа Лондона (UCL), опубликованная в журнале ArXiV и пока не прошедшая рецензирование. Эти два исследователя предложили теорию, альтернативную квантовой гравитации, которая рассматривает пространственное время, характеризующееся внутренней нестабильностью. В этой теории темная материя была бы лишь иллюзией: предложенная Оппенгеймом и Руссо интерпретация гравитации позволила бы описывать некоторые явления, не прибегая к таким понятиям, как темная энергия и темная материя.
Почему модель Лямбда-CDM рассматривает темную материю?
В космологии термин «темная материя» описывает форму материи, составляющую большую часть массы Вселенной. Она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитный свет, что делает ее невидимой для наших приборов прямого наблюдения.
Необходимость рассмотрения темной материи возникла в результате наблюдений за орбитальными скоростями звезд внутри галактик. В частности, астрономы обнаружили, что эти скорости не могут быть полностью объяснены массой звезд, видимых в самих галактиках. Другими словами, в них участвует больше материи, чем можно объяснить с помощью видимой материи. Это несоответствие привело к необходимости ввести новую форму материи, а именно темную материю, чтобы дать целостное и полное объяснение наблюдаемым явлениям.
В стандартной космологической модели Лямбда-CDM темная материя играет решающую роль в формировании и эволюции космических структур, таких как галактики и их скопления. Считается, что она сыграла основополагающую роль в создании первых небольших суперкластеров материи в ранней Вселенной, которые впоследствии послужили базовой структурой для формирования галактик. И что она до сих пор вместе с водородом образует длинные нити космической паутины в крупномасштабной структуре Вселенной.
Однако, несмотря на свою важность, темная материя остается неуловимой и пока не поддается прямому наблюдению. Предположения о ее существовании делаются в основном на основе гравитационных эффектов космического масштаба. Хотя с годами количество доказательств в пользу существования темной материи растет, ее еще не удалось идентифицировать лабораторным путем. Поэтому уровень уверенности в ее существовании высок, но не абсолютен.
Модель Гупты CCC+TL
Раджендра Гупта разработал новую космологическую модель, представленную в июле 2023 года, которая объединяет две разные идеи: модель переменных констант расцепления (CCC) и теорию усталого света (TL).
Первая вытекает из гипотезы Поля Дирака об эволюции констант развязки — фундаментальных физических констант, управляющих взаимодействием между частицами. По мнению Дирака, они могут изменяться со временем. И Гупта обнаружил, что, позволив им эволюционировать, на жаргоне мы говорим, сделав их ковариационными (отсюда Covarying Coupling Constants, CCC), можно увеличить период формирования первых галактик, которые, по наблюдениям космического телескопа Джеймса Уэбба, были гораздо более зрелыми, чем можно было бы предположить в зарождающейся Вселенной, с сотен миллионов лет до нескольких миллиардов лет.
Вторая — теория усталого света (TL), согласно которой свет медленно теряет энергию при прохождении большого расстояния. Этот эффект почти неотличим от космологического красного смещения, предсказанного в модели Лямбда-CDM, которая подразумевает расширяющуюся Вселенную. Однако эта теория, предложенная Фрицем Цвикки в 1929 году, предсказывает различные механизмы в зависимости от контекста. И в настоящее время ее следствия противоречат наблюдениям, особенно наблюдениям за космическим фоновым излучением (CMB), так называемым «эхом Большого взрыва».
Модель Гупты была проверена и показала, что она соответствует нескольким наблюдениям, например, за распределением галактик и эволюцией света ранней Вселенной. Многие из этих наблюдений получены с помощью аппарата «Джеймс Уэбб», который обнаружил и продолжает обнаруживать все больше и больше уже сформировавшихся галактик, таких же больших, как галактики, которые мы видим сегодня, несмотря на то, что возраст Вселенной в то время составлял всего несколько сотен миллионов лет.
Разница в корреляции между двумя различными параметрами, протестированными Гуптой в его космологической модели CCC+TL, по сравнению со стандартной космологической моделью Лямбда-CDM.
Согласно этой модели, ускоренное расширение Вселенной, которое в стандартной космологической модели обусловлено темной энергией, на самом деле вызвано ослаблением сил природы по мере расширения космоса. То есть свет постепенно теряет энергию, а фундаментальные космологические константы изменяются таким образом, что вызывают наблюдаемое нами космическое расширение.
Более того, она полностью исключает космологическое присутствие темной материи, оставаясь при этом совместимой с большинством основных наблюдений, проверенных до сих пор с помощью этой модели.
Теория Оппенгейма и Руссо
Профессор Оппенгейм потратил последние пять лет на разработку подхода, который призван объединить два фундаментально несовместимых столпа современной физики: теорию квантовой механики и общую относительность Эйнштейна.
Теория, предложенная Оппенгеймом и Руссо, предсказывает, что ткань пространства-времени гладкая и непрерывная, как в классической теории, но внутренне неустойчивая, на жаргоне «развивающаяся стохастически». Скорость течения времени будет случайным образом колебаться, пространство всегда будет случайным образом искривляться, а время будет расходиться в разных частях Вселенной с неизбежным нарушением предсказуемости.
В таком режиме можно объяснить фундаментальные наблюдения за вращением галактик, которые привели к гипотезе о существовании темной материи. Согласно стандартной модели, включающей темную материю, гравитация должна быть слабее для звезд на краях галактики, а затем появляется ореол из невидимой материи, который поддерживает их, прикрепляя к самой галактике. В теории Оппенгейма и Руссо, с другой стороны, энергия, необходимая для удержания звезд на орбите, обеспечивается случайными, внутренними флуктуациями пространства-времени, которые, по сути, добавляют фоновый гравитационный гул.
Это было бы незначительно в так называемом «высокогравитационном» взаимодействии, таком как Земля, обращающаяся вокруг Солнца. Но в условиях «низкой гравитации», например, у звезд на краю галактики, это явление будет доминировать. И в совокупности оно может объяснить большую часть энергии во Вселенной.
Это исключает возможность того, что именно темная материя и темная энергия объясняют некоторые явления. «Похоже, что 95 % Вселенной обусловлено нерегулярной природой пространства-времени«, — сказал Оппенгейм в сообщении на сайте X об этом открытии.
В настоящее время эта теория считается спекулятивной и вызывает много вопросов в научном сообществе. Такие известные теоретики, как Карло Ровелли и Джефф Пенингтон, заключили пари против правильности результатов Оппенгейма, считая, что это неверный подход к объединению квантовой механики и гравитации.
Кто же прав?
Идея о том, что темная материя может быть всего лишь научной иллюзией, уже давно является предметом споров среди ученых. Некоторые исследователи предлагают альтернативы темной материи для объяснения наблюдаемых гравитационных эффектов, например, модификации законов гравитации или новые теории о самой гравитации. Одним из примеров является идея Оппенгейма и Руссо. Другие предложили альтернативные стандартной космологические модели, как это сделал Гупта.
Однако пока ни одна из этих альтернатив не смогла дать полное и последовательное объяснение широкому кругу явлений, наблюдаемых во Вселенной, таких как вращение галактик и формирование крупномасштабных космических структур. Темная материя, с другой стороны, оказалась очень эффективным объяснением таких явлений, предлагая последовательную теоретическую основу, которая подтверждается многочисленными независимыми наблюдениями.
Более того, большая часть доказательств в пользу темной материи поступает из различных и взаимодополняющих источников, таких как космическое фоновое излучение, гравитационное линзирование и распределение галактик во Вселенной. Таким образом, все эти сходящиеся свидетельства склоняются к тому, что темная материя является реальным и фундаментальным компонентом нашей Вселенной.
В любом случае важно подчеркнуть, что наука — это непрерывный процесс исследований и открытий, и теории могут пересматриваться и переформулироваться на основе новых доказательств и новых идей. Таким образом, хотя темная материя остается правдоподобным и хорошо обоснованным объяснением многих космологических явлений, именно подвергая сомнению теории и изучая различные возможности, научные исследования продвигаются вперед, позволяя нам все больше и больше углублять наше понимание этой неуловимой Вселенной.
