Гравитация может работать не так, как все думали: что узнали ученые

После открытий, свидетельствующих о том, что темная энергия в космосе может ослабевать по мере того, как расширяется Вселенная, физики начали рассматривать возможность изменения стандартной космологической модели. Новые экзотические теории утверждают, что гравитация работает не так, как думали люди, пишет New Scientist. При чем рассматривается все: теория струн, новая фундаментальная сила или даже изменяющаяся со временем форма гравитации.

Лучшая модель Вселенной называется «лямбда-холодная темная материя» (LCDM), которая разделяет космос на три части:

• материю, которую человек может видеть;
• темную материю, которую мы не можем видеть, но которая все еще тяготеет;
• темную энергию – устойчивый отталкивающий элемент, заставляющий Вселенную расширяться быстрее.

В уравнениях, впервые выведенных Альбертом Эйнштейном, считается, что ускорение Вселенной имеет фиксированную скорость, известную как космологическая постоянная, обозначаемая греческой буквой лямбда. И это отвечает почти всем наблюдениям за Вселенной. Однако Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI) в Аризоне, построивший самую большую 3D-карту космоса, отслеживая миллионы галактик на небе, поставил эту модель под вопрос. DESI точно измеряет расстояния между галактиками в разные периоды истории Вселенной. Это позволяет космологам рассчитывать, как эта Вселенная быстро расширяется.

В прошлом году DESI обнаружил первые намеки на то, что темная энергия не является константой и что со временем Вселенная может ускоряться медленнее. Эти исходные результаты были предварительными, но вторая публикация результатов DESI в марте, охватывающая данные за три года, усилила эти намеки. Хотя им все еще не хватает необходимой статистической уверенности, необходимой для окончательного открытия.

«Все следили за этой публикацией данных DESI, и она была достаточно шокирующей», - отметил И-Фу Цай из Китайского университета науки и технологий.

В то время как Яшар Акрами из Автономного университета Мадрида в Испании назвал это «очень волнующим». По его словам, такое открытие «может действительно поставить под угрозу стандартную модель космологии».

Исследователи из группы DESI предложили подстроить LCDM под свои выводы, добавив в нее новые регулируемые числа. Однако Акрами и его коллеги утверждают, что эти изменения не основываются ни на одной физической реальности. Они обнаружили, что могут лучше описать изменения расстояния, которые видит DESI. Это по их словам можно сделать, если описывать темную энергию как поле, подобное описывающим свет или ядерные силы, но плавно изменяющееся со временем. Одним из преимуществ этой идеи, называемой квинтэссенцией поля, является то, что ее существование можно вывести из более полных моделей Вселенной, таких как определенные модели теории струн.

«Если вы докажете, что квинтэссенция – это темная энергия, это очень хорошо для [теоретиков струн]. Вот почему сообщество теоретиков струн сейчас очень взволнованно», – говорит Акрами.

В то же время, по словам И-Фу Цая, это также хорошая новость для других теорий квантовой гравитации, которые уже давно борются с предсказанием, основанным на LCDM, о том, что расширение Вселенной будет ускоряться вечно. Многие из этих теорий утверждают, что в сценарии постоянного ускорения квантовые пульсации могут расширяться со временем и в конце концов стать такими же большими, как и сама вселенная. Это несовместимо с полным описанием Вселенной, но изменчивая темная энергия сделает многие из этих теорий более жизнеспособными, говорит Цай.

Модель квинтэссенции Акрами и его команды не взаимодействует с гравитацией каким-либо значимым способом. Однако другие исследователи обнаружили, что модели темной энергии, взаимодействующие с гравитацией, лучше согласуются с данными. Ген Е из Лейденского университета в Нидерландах и его коллеги предложили модель под названием «таящая гравитация». Согласно ей, гравитация, описанная общей теорией относительности Эйнштейна, в определенный момент времени начнет работать по-другому из-за ее взаимодействия с изменяющимся полем темной энергии. По словам Ген Е, это может помочь объяснить новое проблематичное заключение DESI о том, что плотность энергии Вселенной должна увеличиваться со временем, если темная энергия становится слабее.

Педро Феррейра из Оксфордского университета и его коллеги обнаружили, что другая модель квинтэссенции темной энергии, также взаимодействующая с гравитацией, описывает то, что измеряет DESI.

«По моему мнению, это единственный способ, который может быть применен. Мы всегда думали, что во Вселенной есть сила гравитации и что гравитация двигает все. Но теперь появится дополнительная пятая сила, связанная с темной энергией, которая также питает все», – говорит Феррейра и добавляет, что это коренным образом изменило бы представление людей о Вселенной.

В то же время, по словам Феррейры, одна из главных проблем этой корректировки состоит в том, что ученые должны увидеть доказательства этой пятой силы в точных измерениях, таких как орбиты планет и тесты теории относительности на Земле. Следовательно, также нужно было бы изобрести физический принцип, мешающий измерять влияние этой пятой силы в этих системах.

«К сожалению, текущие данные DESI недостаточно точны, чтобы различить разные модели взаимодействия темной энергии с гравитацией. Два-три-четыре-пять человек придумывают разные теоретические объяснения этого явления, и с помощью этих данных невозможно различить эти теоретические предложения. В конце концов, мы будем вести дебаты, основанные на мнении о том, какая теория верна, и мы никогда не решим эту проблему», – отметил Феррейра.

В свою очередь Ген Е надеется, что удастся найти способ определить, какая идея является правильной. Если темная энергия тонко изменяет гравитацию, это может проявиться в других наблюдениях. В частности, в исследовании слабого линзирования, измеряющих, как свет искривляется галактиками, когда он путешествует по Вселенной.

«Если теория размораживания гравитации верна, она изменит то, как свет искривляется большими массами. Эффект искажения будет отличаться от общей теории относительности», – говорит Ген Е.

Но большинство космологов соглашается – вывод о том, что темная энергия вообще меняется, все еще преждевременный, пока исследователи не получат больше подтверждающих это данных. Некоторые разъяснения дадут данные DESI, которые должны появиться в ближайшие несколько лет, а дальнейшая информация поступит из других исследований темной энергии, таких как спутник Европейского космического агентства «Эвклид».

Ранее сообщалось, что ученые обнаружили новую форму материи в центре Млечного Пути. Это может дать новые подсказки о природе темной материи и поможет раскрыть две тайны нашей галактики.