Как же всё-таки расширяется вселенная?

Скопление галактик

Галактическое скопление светится рентгеновскими лучами от горячего газа (показано здесь фиолетовым цветом). Исследования таких скоплений по всему небу показывают, какие могут быть любопытные аномалии в космической структуре. Предоставлено: ESA и XMM-Newton (рентгеновский снимок); CFHTLS (оптический); XXL Survey

Если ваша жизнь иногда кажется бесцельной, вы можете на законных основаниях обвинять вселенную.

Согласно ключевым принципам современной физики, космос «изотропен» в масштабах, составляющих несколько миллиардов световых лет, то есть он должен иметь одинаковый внешний вид и поведение во всех направлениях. С тех пор, как произошел большой взрыв почти 14 миллиардов лет назад, вселенная должна была одинаково расширяться повсюду. И это ожидание совпадает с тем, что видят астрономы, когда они наблюдают плавную однородность послесвечения большого неба: космический микроволновый фон (CMB).

Однако теперь рентгеновское исследование расстояний до скоплений галактик через пространство показывает, что некоторые из них находятся значительно ближе или дальше, чем предсказывает изотропия. Это открытие может быть признаком того, что вселенная на самом деле является «анизотропной» — в одних регионах она расширяется быстрее, чем в других. С извинениями всем, кто ищет космическое оправдание для личных бед,

Это возможное свидетельство анизотропии исходит от международной команды во главе с астрономом Константиносом Мигкасом из Боннского университета в Германии. И он опирается на новые или архивные данные о почти 850 скоплениях галактик, обнаруженных рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА, спутником XMM-Newton Европейского космического агентства и передовым спутником Японии по космологии и астрофизике.

Исследование , которое появилось в апрельском астрономии и астрофизики, рассматривает каждый кластер как маяк, измеряя расстояние, насколько ярким или тусклым выглядит каждый из них. Измеряя виды и количество рентгеновских лучей, испускаемых горячим разреженным газом, наполняющим данный кластер, команда могла определить температуру этого газа.

Это позволило исследователям оценить рентгеновскую светимость кластера и, следовательно, его расстояние. Затем они вычислили яркость каждого кластера с помощью отдельной методики, которая частично основывалась на ранее существовавших определениях скорости расширения Вселенной. Сравнение двух независимых значений яркости кластеров позволило Мигкасу и его коллегам исследовать потенциальные отклонения в скорости расширения Вселенной по всему небу, выявив две области, где скопления были примерно на 30 процентов ярче или слабее (и, следовательно, потенциально ближе или дальше), чем ожидалось. ,

«Нам удалось определить регион, который, кажется, расширяется медленнее, чем остальная часть вселенной, и регион, который, кажется, расширяется быстрее», — говорит Мигкас. «Существует много исследований с оптическими сверхновыми и инфракрасными галактиками, которые также обнаружили аналогичные анизотропии в тех же направлениях. И есть также много исследований с подобными наборами данных, которые не показывают никакой анизотропии! Поэтому ситуация все еще неопределенная. Мы не спорим, чтобы знать происхождение анизотропии, только то, что они есть ».

Удивительная, обволакивающая анизотропия

Карта всего неба, показывающая, что может быть односторонним расширением Вселенной, основанная на рентгеновских исследованиях сотен скоплений галактик. Оранжево-желтые оттенки указывают на более высокую, чем ожидалось, скорость расширения. Фиолетово-черные цвета соответствуют более медленному, чем ожидалось, расширению. Любезно предоставлено: К. Мигкас и др. 2020 (CC BY-SA 3.0 IGO)

Удивительная, обволакивающая анизотропия

Анизотропная Вселенная потрясла бы основы физики, требуя серьезных изменений в современных представлениях о космической эволюции. “Если расширение вселенной действительно различно в разных направлениях, то это приводит к совершенно новой складке в космологическом предположении о равномерности расширения в достаточно больших областях пространства”, — говорит Меган Донахью, астрофизик из Мичиганского университета, которая не участвовала в исследовании. Она добавляет, что одностороннее расширение “было бы устрашающим и удручающим», поскольку оно предполагает, что наше понимание крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной глубоко-возможно, постоянно — неполно.

Чтобы объяснить такую вещь — и примирить ее с почти совершенной изотропией, наблюдаемой в CMB, — космологи могут обратиться к темной энергии, таинственной силе, которая ускоряет рост вселенной. Вполне возможно, что где-то в прошлых эонах между картиной CMB “ранней” Вселенной и “поздней” за последние несколько миллиардов лет эффекты темной энергии усилились в некоторых избранных частях космоса, создавая одностороннее расширение.

“Было бы здорово, если бы было обнаружено, что темная энергия имеет разные силы в разных частях Вселенной”, — сказал соавтор исследования Томас Риприх из Боннского университета в недавнем заявлении. — Однако для того, чтобы править, требуется гораздо больше доказательств.- другие объяснения и убедительные аргументы. »

С другой стороны, Вселенная вовсе не может быть односторонней: аберрантные скопления галактик могут быть захвачены “объемным потоком», вытянутым из-под гравитационного захвата еще более крупных и отдаленных скоплений, чем-то напоминающих лодки, которые несутся в быстром течении реки. Но большинство космологов не ожидали, что объемные потоки будут происходить в чрезвычайно больших масштабах, изученных в ходе исследования, которое привело к измерениям приблизительно пяти миллиардов световых лет.

“Это вполне может быть массовый поток», — говорит Мигкас. «Однако это было бы очень важно, просто потому, что большинство исследований не учитывают этого! Любые существующие объемные потоки могут сильно повлиять на наши результаты и измерения, если люди не будут корректировать эти движения должным образом. ”

Космические слепые точки

Наиболее очевидным объяснением, конечно, было бы то, что кажущаяся асимметрия расстояния между кластерами вызвана недостатками в данных или их анализе. Однако этот сценарий все еще может потребовать нового понимания учеными того, как ошибки проникают в их лучшие расчеты космических расстояний.

«Исследования, использующие кластеры в качестве зондов космологии, уже давно дают сумасшедшие результаты», — говорит Адам Рисс, астроном из Университета Джона Хопкинса, который не связан с командой Мигкаса, ссылаясь на недавний анализдругими исследователями, которые подчеркивают несоответствия между работой на основе кластера и другими методами измерения.

Такие несоответствия позволяют предположить, что корреляции между температурой рентгеновского излучения галактического кластера и его светимостью не настолько четкие, как хотелось бы исследователям. Кроме того, говорит Рисс, есть и другие потенциальные проблемы, с которыми можно столкнуться прямо здесь, в Млечном Пути: а именно, диск нашей галактики, заполненный газом и пылью, который затемняет взгляды астрономов на более широкий космос различными неприятными способами.

По его словам, может быть, не случайно, что область наибольшей видимой космической анизотропии, выявленной Мигкасом и его коллегами, граничит с местом, где поглощающий рентгеновские лучи газ и пыль Млечного Пути являются наиболее толстыми. «Они утверждают, что странное направление Вселенной прямо в нашей слепой зоне», добавляет Рисс. «Это кажется подозрительным!»

Дэвид Спергель

Дэвид Спергель, космолог из Принстонского университета и Института Флэтайрон в Нью-Йорке, также подозревает ошибки в кластерных измерениях — отчасти потому, что многие другие методы дают принципиально противоречивые результаты. «Это документ, который очень важен, если [это] правда, но вряд ли будет правдой», — говорит он. «У нас есть намного более точные тесты анизотропии, основанные на наблюдениях [CMB] и крупномасштабной структуры. Эти наблюдения проще, чище и воспроизводятся несколькими различными способами ». По его словам, анизотропия масштаба, предложенная в новом исследовании, приведет к колебаниям CMB, которые будут в 1000 раз ярче, чем наблюдали астрономы.

Несмотря на это, Мигкас и его коллеги утверждают, что для решительного решения проблемы односторонней вселенной или для нее необходимы дополнительные, более всесторонние исследования крупномасштабной космической структуры. Сейчас они ищут дополнительные намеки на анизотропию галактического кластера на картах CMB и пытаются подтвердить свои исследования кластеров на основе рентгеновских лучей с дополнительными инфракрасными наблюдениями.

Окончательные результаты могут в конечном итоге прийти от новых космических телескопов, таких как eROSITA, немецко-российская рентгеновская обсерватория или предстоящая миссия Евклида Европейского космического агентства, которые будут выполнять более глубокие и широкие исследования скоплений по всему небу.

«Как правило, мы считаем, что все больше и больше людей должны изучать изотропию Вселенной — находить новые методы и инструменты для этого — учитывая огромное значение, которое это имеет для стандартной космологии», — говорит Мигкас. «Было бы здорово, если бы мы знали, раз и навсегда, выглядит ли поздняя вселенная изотропной или нет».

Читайте также: