Что такое космологический принцип и почему в нём начали сомневаться
На протяжении почти ста лет космологи считали, что если посмотреть на Вселенную в достаточно большом масштабе, она окажется одинаковой во всех направлениях и в любой своей области. Именно это допущение лежит в основе современной космологической модели, которая объясняет происхождение галактик, расширение Вселенной, а также существование тёмной материи и тёмной энергии. Однако новые данные показывают, что реальная картина может оказаться значительно сложнее.
Что такое космологический принцип
Если взглянуть на ночное небо, можно заметить, что вещество во Вселенной распределено крайне неравномерно. Звёзды образуют галактики, те собираются в скопления, между которыми находятся гигантские пустоты. Всё это напоминает космическую паутину. Тем не менее космологи предполагают, что на очень больших расстояниях отдельные структуры должны «усредняться». Таким образом, Вселенная в масштабах сотен миллионов световых лет практически однородна. Это предположение известно как космологический принцип. Именно благодаря ему удаётся существенно упростить математическое описание эволюции Вселенной в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна. На этом принципе построена современная стандартная космологическая модель ΛCDM (Лямбда-CDM), согласно которой Вселенная примерно на 5 % состоит из обычного вещества, на 27 % — из тёмной материи и почти на 68 % — из тёмной энергии.
Состав Вселенной по модели Лямбда-CDM
Изображение: © Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»
Что такое космическая паутина?
Хотя на фотографиях наполнение космоса кажется хаотичным, галактики распределены не случайно. Под действием гравитации они образуют гигантскую сеть из длинных нитей (филаментов), плотных узлов, где располагаются скопления галактик, и огромных пустых областей — космических войдов. Такую структуру называют космической паутиной. Её возникновение хорошо объясняется современной космологической моделью: после Большого взрыва небольшие неоднородности в плотности вещества постепенно усиливались под действием гравитации, превращаясь в наблюдаемую сегодня сеть галактик.
Что ставит под сомнение космологический принцип
До сих пор большинство исследований показывало, что переход к однородности происходит на расстоянии около 100 мегапарсеков (примерно 300 миллионов световых лет). Итальянские учёные из исследоввтельского центра Centro Ricerche Enrico Fermi решили проверить это предположение новым способом. Они использовали данные крупнейшего современного обзора Вселенной — Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), где зафиксированы трёхмерные координаты почти 47 миллионов галактик.
Что такое мегапарсек и гигапарсек?
При изучении Вселенной астрономы используют не световые годы, а более удобную единицу измерения расстояния — парсек. Это примерно 3,26 светового года. Для описания космических масштабов применяют ещё более крупные единицы: мегапарсек соответствует одному миллиону парсеков (около 3,26 миллиона световых лет), а гигапарсек — одному миллиарду парсеков (примерно 3,26 миллиарда световых лет). Именно такими расстояниями оперируют космологи, когда исследуют распределение галактик и пытаются понять, на каком масштабе Вселенная становится однородной.
Вместо традиционного анализа расстояний между галактиками исследователи разработали новый статистический подход. Они изучали не только то, насколько далеко расположены галактики друг от друга, но и существуют ли предпочтительные направления, вдоль которых ориентированы пары галактик. Если космологический принцип выполняется, такие направления должны быть случайными. Однако результаты оказались неожиданными.
Космический телескоп «Хаббл», который даёт качественные снимки удалённых участков космоса
Фото: © Rawpixel.com / Shutterstock / FOTODOM
Авторы обнаружили статистически значимые корреляции в ориентации галактик даже на расстояниях примерно в один гигапарсек — это более трёх миллиардов световых лет. Это означает, что крупномасштабная нитевидная структура Вселенной может сохраняться на более дальних расстояниях, чем допускает стандартная космологическая модель. По словам авторов исследования, распределение галактик напоминает не случайную смесь, а сложную систему взаимосвязанных нитей, продолжающихся на колоссальных расстояниях. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Nature.
К чему приведёт пересмотр космологического принципа
Если выводы исследования подтвердятся независимыми наблюдениями, последствия окажутся весьма серьёзными. Космологический принцип — это одно из фундаментальных предположений современной космологии, которое позволяет описывать эволюцию Вселенной с помощью сравнительно простых математических моделей. Некоторые исследователи считают, что отказ от строгой однородности мог бы изменить представления о расширении Вселенной. В частности, уже давно существует гипотеза, согласно которой влияние крупных космических структур на геометрию пространства-времени может частично объяснять наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной без необходимости вводить такое понятие, как тёмная энергия.
Результаты исследования итальянских учёных уже вызвали активную дискуссию. Некоторые специалисты отмечают, что если столь крупные структуры действительно существуют, то их гравитационное влияние должно было оставить заметный след в космическом микроволновом фоне — слабом излучении, сохранившемся после Большого взрыва. Пока такие эффекты убедительно не обнаружены.
Так изобразила нейросеть Большой взрыв
Изображение: © ChatGPT / промт Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»
Другие исследователи считают, что прежде необходимо проверить новый статистический метод на независимых выборках данных и убедиться, что обнаруженные закономерности не являются особенностью анализа. Поэтому говорить о пересмотре современной космологической модели пока преждевременно.
История науки неоднократно показывала, что самые серьёзные открытия начинаются именно с обнаружения небольших расхождений между наблюдениями и существующими теориями. Пока новая работа не отменяет стандартной модели Вселенной. Но даже фундаментальные предположения современной космологии продолжают проверяться по мере появления всё более точных астрономических данных. Именно такие исследования позволяют понять, насколько полно современные теории описывают устройство Вселенной и не скрываются ли за привычной космической картиной ещё неизвестные физические закономерности.
