Гравітація може працювати не так, як всі думали: що дізналися вчені

Після відкриттів, які свідчать, що темна енергія в космосі може слабшати в міру того, як розширюється Всесвіт, фізики почали розглядати можливість зміни стандартної космологічної моделі. Нові екзотичні теорії стверджують, що гравітація працює не так, як думали люди, пише New Scientist. При чому розглядається все: теорія струн, нова фундаментальна сила чи навіть форма гравітації, яка змінюється з часом.

Найкраща модель Всесвіту має назву «лямбда-холодна темна матерія» (LCDM), яка розділяє космос на три частини: 

• матерію, яку людина може бачити;
• темну матерію, яку ми не можемо бачити, але яка все ще має гравітаційне тяжіння;
• темну енергію – стійкий відштовхуючий елемент, який змушує Всесвіт розширюватися швидше.

У рівняннях, вперше виведених Альбертом Ейнштейном, вважається, що прискорення Всесвіту має фіксовану швидкість, відому як космологічна стала, що позначається грецькою літерою лямбда. І це відповідає майже всім спостереженням за Всесвітом. Однак Спектроскопічний інструмент темної енергії (DESI) в Арізоні, який побудував найбільшу 3D-карту космосу, відстежуючи мільйони галактик на небі, поставив цю модель під сумнів. DESI точно вимірює відстані між галактиками в різні періоди історії Всесвіту. Це дозволяє космологам розраховувати, як цей Всесвіт швидко розширюється.

Минулого року DESI виявив перші натяки на те, що темна енергія не є константою і що з часом Всесвіт може прискорюватися повільніше. Ці початкові результати були попередніми, але друга публікація результатів DESI в березні, що охоплює дані за три роки, посилила ці натяки. Хоча їм все ще не вистачає необхідної статистичної впевненості, яка потрібна для остаточного відкриття. 

«Всі стежили за цією публікацією даних DESI, і вона була досить шокуючою», – зазначив І-Фу Цай з Китайського університету науки і технологій.

Тоді як Яшар Акрамі з Автономного університету Мадрида в Іспанії назвав це «дуже хвилюючим». За його словами, таке відкриття «може насправді поставити під загрозу стандартну модель космології».

Дослідники з групи DESI запропонували підлаштувати LCDM під свої висновки, додавши до неї нові регульовані числа. Однак Акрамі та його колеги стверджують, що ці зміни не ґрунтуються на жодній фізичній реальності. Натомість вони виявили, що можуть краще описати зміни відстані, які бачить DESI. Це за їхніми словами можна зробити, якщо описувати темну енергію як поле, подібне до тих, що описують світло або ядерні сили, але яке плавно змінюється з часом. Однією з переваг цієї ідеї, яка називається квінтесенцією поля, є те, що її існування можна вивести з повніших моделей Всесвіту, таких як певні моделі теорії струн. 

«Якщо ви доведете, що квінтесенція – це темна енергія, це дуже добре для [теоретиків струн]. Ось чому спільнота теоретиків струн зараз дуже схвильована», – каже Акрамі.

Водночас за словами І-Фу Цая, це також хороша новина для інших теорій квантової гравітації, які вже давно борються з передбаченням, заснованим на LCDM, про те, що розширення Всесвіту буде прискорюватися вічно. Багато з цих теорій стверджують, що в сценарії постійного прискорення квантові пульсації можуть розширюватися з часом і врешті-решт стати такими ж великими, як і сам всесвіт. Це несумісно з повним описом Всесвіту, але мінлива темна енергія зробить багато з цих теорій більш життєздатними, каже Цай.

Модель квінтесенції Акрамі та його команди не взаємодіє з гравітацією у будь-який значущий спосіб. Однак інші дослідники виявили, що моделі темної енергії, які взаємодіють з гравітацією, краще узгоджуються з даними. Ген Є з Лейденського університету в Нідерландах та його колеги запропонували модель під назвою «гравітація, що тане». Згідно з нею, гравітація, описана загальною теорією відносності Ейнштейна, в певний момент часу почне працювати по-іншому через її взаємодію з мінливим полем темної енергії. За словами Ген Є, це може допомогти пояснити новий проблематичний висновок DESI про те, що густина енергії Всесвіту повинна збільшуватися з часом, якщо темна енергія стає слабшою.

Педро Феррейра з Оксфордського університету та його колеги виявили, що інша модель квінтесенції темної енергії, яка також взаємодіє з гравітацією, описує те, що вимірює DESI. 

«На мою думку, це єдиний спосіб, який може бути застосований. Ми завжди думали, що у Всесвіті є сила гравітації, і що гравітація рухає все. Але тепер з'явиться додаткова п'ята сила, пов'язана з темною енергією, яка також живить все», – каже Феррейра та додає, що це докорінно б змінило уявлення людей про Всесвіт.

Водночас за словами Феррейри, одна з головних проблем цього коригування полягає в тому, що вчені мали б побачити докази цієї п'ятої сили в точних вимірах, таких як орбіти планет і тести теорії відносності на Землі. Отже, також потрібно було б винайти фізичний принцип, який би заважав вимірювати вплив цієї п'ятої сили в цих системах. 

«На жаль, поточні дані DESI недостатньо точні, щоб розрізнити різні моделі взаємодії темної енергії з гравітацією. Два-три-чотири-п'ять людей придумують різні теоретичні пояснення цього явища, і за допомогою цих даних неможливо розрізнити ці теоретичні пропозиції. Врешті-решт, ми будемо вести дебати, засновані на думці про те, яка теорія є правильною, і ми ніколи не розв’яжемо цю проблему», – зазначив Феррейра.

Своєю чергою Ген Є сподівається, що вдасться знайти спосіб визначити, яка ідея є правильною. Якщо темна енергія тонко змінює гравітацію, то це може проявитися в інших спостереженнях. Зокрема, у дослідження слабкого лінзування, які вимірюють, як світло викривляється галактиками, коли воно подорожує Всесвітом. 

«Якщо теорія розморожування гравітації правильна, вона змінить те, як світло викривляється великими масами. Ефект викривлення буде відрізнятися від загальної теорії відносності», – каже Ген Є.

Але більшість космологів погоджується – висновок про те, що темна енергія взагалі змінюється, все ще передчасний, доки дослідники не отримають більше даних, які б це підтверджували. Деяке роз'яснення дадуть дані DESI, що мають з'явитися в найближчі кілька років, а подальша інформація надійде з інших досліджень темної енергії, таких як супутник Європейського космічного агентства «Евклід».

Раніше повідомлялося, що вчені виявили нову форму матеріїу центрі Чумацького Шляху. Це може надати нові підказки про природу темної матерії та допоможе розкрити дві таємниці нашої галактики.