Более века ученые знали, что Вселенная расширяется после Большого взрыва , изначального события, с которого все началось миллиарды лет назад .
Но пока решить непростую задачу не удалось. Как быстро он расширяется? Это потому, что существует несоответствие между оценочной скоростью, основанной на радиации, оставшейся от Большого взрыва, известной как космический микроволновый фон или реликтовое излучение на научном жаргоне, и значительно более быстрым темпом, основанным на наблюдениях сверхновых. Скорость расширения Вселенной известна как постоянная Хаббла, поэтому несоответствие называется «напряжением Хаббла».
Ученые считают, что продолжающееся расширение Вселенной было вызвано силой, называемой темной энергией, которая, похоже, начала обращать вспять замедление Вселенной через 7 или 8 миллиардов лет после Большого взрыва.
Что такое темная энергия?
«Темная энергия - это гипотетический источник энергии во Вселенной сегодня, который, согласно нашему лучшему пониманию Вселенной, составляет примерно 70 процентов всей энергии Вселенной», - объясняет Гленн Старкман , выдающийся университетский профессор и сопредседатель физический факультет Университета Кейс Вестерн Резерв.
«Основным доказательством его существования является ускоренное расширение Вселенной, которое, по-видимому, продолжалось последние несколько миллиардов лет», - говорит Старкман. "Чтобы вызвать такое расширение, требуется источник энергии, который не становится более разбавленным (или разбавляется очень мало) по мере расширения Вселенной. Это делает непригодными для большинства источников энергии, например, обычную материю или темную материю, которые становятся меньше плотнее по мере того, как Вселенная становится больше. Простейшая модель темной энергии состоит в том, что это неизменная плотность энергии, связанная с пустым пространством. Таким образом, если пространство расширяется, плотность темной энергии останется постоянной ».
Но есть много необъяснимых вещей о темной энергии, включая то, почему ее не существовало все время. И даже включение темной энергии в стандартную модель не устраняет несоответствия между двумя измерениями космического расширения.
А ранняя темная энергия?
Но два новых, еще не опубликованных исследования, основанные на данных, собранных в период с 2013 по 2016 год Космологическим телескопом Атакама (ACT) , могут помочь указать на возможное решение проблемы. Исследователи считают, что они обнаружили следы «ранней» темной энергии, существовавшей в первые 300 000 лет после Большого взрыва. В этой недавней статье в Nature Давиде Кастельвекки впервые были опубликованы две статьи, одна из которых была подготовлена командой ACT, а другая - независимой группой, в которую входили Вивиан Пулен , астрофизик из Университета Монпелье во Франции, и коллеги Тристиан Л. Смит и Алекса Бартлетт. Свортмор-колледжа.
Идея ранней темной энергии была первоначально предложена несколько лет назад Пуленом, тогда докторантом Университета Джона Хопкинса, Смитом и его коллегами, как способ решения вопроса.
«Ранняя темная энергия - это предложение для другой формы темной энергии, то есть, явно не связанной с темной энергией, вызывающей сегодняшнее ускоренное расширение», - объясняет Старкман. EDE «давно бы сыграл важную роль во Вселенной, когда Вселенная была примерно в 10 000 раз меньше и горячее, чем сейчас». По его словам, эта концепция «была разработана, чтобы разрешить некоторые загадочные разногласия по поводу истории скорости расширения Вселенной».
Как объясняется в статье в Nature, ранняя темная энергия не была бы достаточно сильной, чтобы вызвать ускоренное расширение Вселенной миллиарды лет спустя. Вместо этого он мог бы косвенно повлиять на него, заставляя смесь элементарных частиц или плазмы , образовавшуюся вскоре после Большого взрыва, остывать быстрее. Это, в свою очередь, повлияет на способ измерения космического микроволнового фона - особенно на измерения возраста и скорости расширения Вселенной, основанные на том, как далеко звуковые волны могут распространяться в плазме до того, как она остынет в газ, - и приведет к более быстрому скорость расширения ближе к той, которую астрономы рассчитывают на основе небесных объектов.
Ранняя темная энергия - сложное теоретическое решение, но «это единственная модель, которую мы можем заставить работать», как объяснил Nature физик-теоретик из Университета Джонса Хопкинса Марк Камионковски , один из авторов ранней статьи о темной энергии 2018 года.
Вывод не ясен
Эти два исследования могут помочь подтвердить аргументы в пользу ранней темной энергии, но один из задействованных исследователей говорит, что он все еще не полностью убежден, и предупреждает, что требуется дополнительная работа, чтобы прийти к четкому выводу.
«Я скептически относился к ранним моделям темной энергии из-за проблем, с которыми они сталкиваются при согласовании высокоточных измерений крупномасштабного распределения галактик и материи во Вселенной (« крупномасштабная структура », или LSS)», Колумбийский университет Доцент физики Дж. Колин Хилл , соавтор исследования группы ACT, отмечает в электронном письме. (То, что Хилл подвергает сомнению эту концепцию, отражено в этой статье , соавтором которой он является в 2020 году, а также в более поздней статье , и он также упоминает другую статью других исследователей, которая вызывает аналогичные сложности.)
«Вывод из трех статей, связанных выше, заключается в том, что ранние модели темной энергии, которые соответствуют данным CMB и данным Рисса и др., H0, дают прогнозы для LSS, которые не соответствуют данным из этих обзоров», - пишет Хилл. Эл. адрес. «Таким образом, мы пришли к выводу, что, вероятно, необходима другая теоретическая модель или, по крайней мере, некоторая модификация сценария ранней темной энергии».
В новом исследовании, которое только что опубликовали Хилл и его коллеги, они не учитывали данные LSS в анализе, а вместо этого сосредоточились почти исключительно на данных CMB. «На самом деле цель заключалась в том, чтобы увидеть, дают ли данные Planck и ACT CMB последовательные результаты в контексте ранней темной энергии. Мы обнаружили, что они дают несколько разные результаты, что является главной загадкой, которую мы сейчас очень стараемся понять. перспектива, проблема LSS для сценария ранней темной энергии остается нерешенной ".
«Кроме того, данные Planck сами по себе (которые остаются наиболее точным набором данных в космологии) не показывают предпочтения ранней темной энергии», - объясняет Хилл. «Таким образом, несмотря на намеки, которые мы видели в данных ACT для ранней темной энергии, я остаюсь осторожным в отношении того, действительно ли эта модель может быть последней историей. Нам понадобится больше данных, чтобы узнать».
Если бы она существовала, ранняя темная энергия была бы подобна силе, которая, как считается, движет нынешней скоростью расширения Вселенной. Но это все равно потребует значительного переосмысления теоретической модели.
«Основное отличие состоит в том, что эта ранняя темная энергия должна играть роль только в течение короткого периода в космической истории, а затем должна« исчезнуть », - говорит Хилл. «Чтобы достичь этого, мы конструируем модели физики элементарных частиц нового поля (технически аксионоподобного поля), которое действует, чтобы ненадолго ускорять расширение Вселенной до рекомбинации, но затем быстро исчезает и становится неактуальным».
«Напротив, текущая основная картина стандартной темной энергии состоит в том, что это просто космологическая постоянная, источником которой, вероятно, является энергия вакуума», - продолжает Хилл. "Эта форма энергии не меняется со временем. Однако возможно, что стандартная темная энергия может быть вызвана каким-то новым фундаментальным полем, которое мы еще не поняли. В этом случае оно вполне может эволюционировать во времени, и оно таким образом, может иметь некоторое сходство с рассмотренной выше ранней моделью темной энергии ".
«Опять же, нам потребуется больше данных, чтобы более точно исследовать эти вопросы и, надеюсь, найти ответы в ближайшее десятилетие», - говорит Хилл. «К счастью, скоро появятся многие мощные эксперименты». Он упоминает объекты такого Simons обсерватория , которая будет изучать реликтовое излучение, а также Рубин обсерваторию и Евклид и римские космические телескопы, которые будут собирать новую информацию о LSS. «Будет очень интересно увидеть, что мы находим», - говорит он.
Вот видео на YouTube, в котором Хилл обсуждает раннюю темную энергию:
Старкман говорит, что важно быть осторожным с такими «экстраординарными» заявлениями, если доказательства не являются ясными и убедительными. Как он указывает, есть доказательства против EDE. «Текущие результаты показывают растущее противоречие между двумя наборами экспериментальных данных по наблюдению космического микроволнового фона - со спутника Planck Европейского космического агентства.который летал в начале прошлого десятилетия, и с нынешнего космологического телескопа Атакама. Первый, похоже, не поддерживает идею ранней темной энергии, а второй сейчас поддерживает. Такие противоречия между экспериментами - обычное дело и разочарование. Заманчиво сказать, что больше данных из ACT решит этот вопрос, но простое подавление завершенных данных Planck большим количеством данных ACT не объяснит, почему данные Planck не в пользу EDE. Кажется, что возникшая напряженность потребует пересмотра понимания одного из этих экспериментов, чтобы тем или иным образом представить ясный случай ».
Венди Фридман , профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета, работавшая над измерением космического расширения, считает важным исследовать различные альтернативные модели.
Модель Lambda Cold Dark Matter (LCDM)
«В настоящее время у нас есть стандартная модель космологии, так называемая модель лямбда-холодной темной материи (LCDM)», - объясняет Фридман, автор этой статьи , опубликованной 17 сентября 2021 года о постоянной Хаббла в The Astrophysical Journal. электронное письмо. «В этой модели около 1/3 общей плотности материи + энергии приходится на материю (большую часть которой составляет темная материя), а 2/3 - на компонент темной энергии».
«Однако в настоящее время мы не знаем ни природы темной материи, ни темной энергии», - продолжает Фридман. «Тем не менее, LCDM очень хорошо подходит для очень широкого круга различных экспериментов и наблюдений. Учитывая наш уровень знаний, очевидно, что важно продолжить тестирование стандартной модели. Текущее очевидное несоответствие между значением постоянной Хаббла, выведенной из реликтового излучения. измерения и некоторые локальные измерения могут сигнализировать о новой физике. Вот почему я говорю, что важно исследовать другие модели помимо лямбда-CDM ».
Но Фридман добавляет важное предостережение: «В качестве альтернативы, может быть некоторая еще неизвестная систематическая ошибка, которая ответственна за кажущееся несоответствие. Поэтому также важно уменьшить неопределенности в нынешних измерениях постоянной Хаббла».
Вот это интересно
Если окажется, что ранняя темная энергия существовала, ее использование в оценке возраста Вселенной приведет к тому, что космос будет на 1,4 миллиарда лет моложе, чем нынешняя оценка в 13,8 миллиарда лет.
