Куда бы мы ни посмотрели, везде в космосе действуют одни и те же правила — бесчисленные расчеты астрофизиков основаны на этом основном принципе. Однако недавнее исследование, проведенное университетами Бонна и Гарварда, поставило этот принцип под сомнение. Если бы измеренные значения подтвердились, это отбросило бы многие предположения о свойствах Вселенной за борт. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics, но уже доступны в интернете.
После Большого Взрыва Вселенная раздулась, как тесто с изюмом, которое положили в теплое место, чтобы оно поднялось. До недавнего времени считалось, что это увеличение размеров происходит равномерно во всех направлениях, как при хорошем дрожжевом тесте. Астрофизики называют это «изотропией». Многие расчеты фундаментальных свойств Вселенной основаны на этом предположении. Вполне возможно, что все они ошибочны — или, по крайней мере, неточны — благодаря убедительным наблюдениям и анализу ученых из университетов Бонна и Гарварда.
Они впервые проверили гипотезу изотропии с помощью нового метода, который позволяет получить более надежные утверждения, чем раньше. Они столкнулись с неожиданным результатом: согласно этому методу, некоторые области пространства расширяются быстрее, чем они должны, в то время как другие расширяются медленнее, чем ожидалось. «Во всяком случае, этот вывод напрашивается на основании наших измерений», — утверждает Константинос Мигкас из Института астрономии Аргеландера при Боннском университете.
Мигкас и его коллеги разработали новый, эффективный тест изотропии в своем исследовании. Она основана на наблюдении так называемых скоплений галактик — в некотором смысле изюм в дрожжевом тесте. Скопления испускают рентгеновское излучение, которое может быть получено на Земле (в данном случае это было сделано с помощью спутниковых телескопов Chandra и XMM-Newton). Температура скоплений галактик может быть рассчитана на основе определенных характеристик излучения. Кроме того, их яркость можно измерить — чем они горячее, тем ярче светятся.
В изотропной Вселенной действует простое правило. Чем дальше от нас находится небесный объект, тем быстрее он удаляется от нас. Исходя из его скорости, мы можем, следовательно, вывести его расстояние от нас, независимо от направления, в котором находится объект. По крайней мере, так мы думали до сих пор. «Однако на самом деле наши измерения яркости, похоже, не согласуются с приведенным выше расчетом расстояния», — подчеркивает Мигкас.
Это происходит потому, что количество света, достигающее Земли, уменьшается с увеличением расстояния. Итак, каждый, кто знает первоначальную светимость небесного тела и его расстояние, знает, насколько ярко оно должно светить на снимках с телескопа. И именно в этот момент ученые столкнулись с несоответствиями, которые трудно согласовать с гипотезой изотропии: некоторые скопления галактик гораздо слабее, чем ожидалось. Их расстояние от Земли, вероятно, намного больше, чем рассчитано по их скорости. А для некоторых других, однако, все наоборот.
«Есть только три возможных объяснения этому», — утверждает Мигкас, который делает свою докторскую диссертацию в исследовательской группе профессора Томаса Райприча из Института Аргеландера.
Во-первых, возможно, что рентгеновское излучение, интенсивность которого мы измерили, ослабевает на пути от скоплений галактик к Земле. Это может быть связано с еще не обнаруженными газовыми или пылевыми облаками внутри или снаружи Млечного Пути. Однако при предварительных анализах мы обнаруживаем это несоответствие между измерением и теорией не только в рентгеновских лучах, но и на других длинах волн. Крайне маловероятно, что какая-либо материальная туманность поглощает совершенно разные типы излучения одним и тем же способом. Но наверняка мы узнаем только через несколько месяцев».
Второе объяснение — это так называемые «объемные потоки». «Это группы соседних скоплений галактик, которые непрерывно движутся в определенном направлении — например, из-за некоторых структур в пространстве, которые генерируют сильные гравитационные силы. Следовательно, они будут притягивать скопления галактик к себе и, таким образом, изменять их скорость (и, следовательно, также их производное расстояние). «Этот эффект также означал бы, что многие вычисления свойств локальной Вселенной были бы неточными и должны были бы повторяться», — объясняет Мигкас.
Третья — самая серьезная: что, если Вселенная вообще не изотропна? Что, если, образно говоря, дрожжи в галактическом тесте с изюмом распределены настолько неравномерно, что в некоторых местах они быстро набухают, а в других почти не растут? Такая анизотропия может быть, например, следствием свойств таинственной «темной энергии», которая действует как дополнительная движущая сила для расширения Вселенной.
Однако до сих пор отсутствует теория, которая сделала бы поведение темной энергии согласованной с наблюдениями. «Если нам удастся разработать такую теорию, это может значительно ускорить поиск точной природы этой формы энергии», — уверен Мигкас.
Настоящее исследование основано на данных от более чем 800 скоплений галактик, 300 из которых были проанализированы авторами. Остальные кластеры взяты из ранее опубликованных исследований. Анализ одних только рентгеновских данных был настолько трудоемким, что на это ушло несколько месяцев. Ожидается, что новый спутниковый рентгеновский телескоп eROSITA в ближайшие годы зафиксирует еще несколько тысяч скоплений галактик. Тогда станет ясно, действительно ли гипотеза изотропии должна быть отброшена.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение