Странный галактический мегакластер намекает на то, что с нашей Вселенной что-то не так

Результаты масштабного исследования более 25 миллионов галактик свидетельствуют о том, что мы до сих пор не можем с уверенностью сказать, насколько сильно сжимается материя, что говорит о том, что в стандартной модели космологии что-то не так.

На снимке Abell 370. Это огромное скопление галактик находится на расстоянии порядка 4,775 миллиардов световых лет (1465 Мегапарсек) от нашей планеты в созвездии Кита. Ядро скопления состоит из нескольких сотен галактик. Это наиболее удаленный галактический кластер из всех наблюдаемых. Фотография предоставлена National Aeronautics and Space Administration, NASA, ESA, Physical Review D DOI B. Sunnquist and J. Mack (STScI) 

Мы не знаем, насколько плотной является Вселенная. Исследование более 25 миллионов галактик обнаружило несоответствие между двумя основными способами измерения степени скопления материи, что говорит о том, что в общепринятой стандартной модели космологии - нашем наиболее "глубоком" понимании Вселенной - все не так однозначно.

В работе рассматривались данные за три года, полученные в рамках программы Hyper Suprime-Cam (HSC) на японском телескопе Subaru. Важнейшим фактором, повлиявшим на результаты исследования, стал эффект слабого гравитационного линзирования. Он возникает, когда свет от других галактик растягивается под действием гравитации материи, находящейся между этими галактиками и нашими телескопами.

Это приводит к искажению видимых форм таких галактик, и, наблюдая за большим их скоплением, исследователи из коллаборации HSC сделали соответствующие выводы о структуре материи во Вселенной. Они обнаружили проблему с космологическим параметром S8, который измеряет "комковатость"  распределения материи в космосе.

Существует два основных способа вычисления показателя S8. Первый - наблюдение за галактиками в относительно близкой Вселенной, что, собственно, и сделала команда HSC. Второй - наблюдение за флуктуациями космического микроволнового фона (CMB) - реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, - и последующее использование стандартной модели космологии для моделирования того, как в настоящее время должна выглядеть материя. Именно такой подход использовался космической обсерваторией Planck в предыдущих экспериментах.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

При использовании метода CMB значение S8 примерно соответствует 0,83, а при анализе HSC оно составляет около 0,77, то есть во втором случае материя имеет меньшую степень кластеризации. Это на первый взгляд небольшое отличие, но оно может иметь самые серьезные последствия для нашего понимания Вселенной.

"Мы уже сталкивались с признаками несоответствия в других экспериментах по линзированию, и последнее исследование вновь подтверждает это", - рассказывает член коллаборации HSC Рухи Далал (Roohi Dalal) из Принстонского университета. "Сейчас мы находимся на этапе, когда нам действительно необходимо понять, что является причиной столь низких величин".

Пространство для маневра

В настоящее время, говорит Рухи Далал, есть три крупные коллаборации, измеряющие S8 с помощью гравитационного микролинзирования, и все три обнаружили схожие результат, и все три обнаружили подобные результаты.

Странное космическое скопление указывает на то, что наше представление о Вселенной в корне ошибочно. Рисунок 1. Исследования с использованием слабого гравитационного линзирования, проводимые в рамках проекта HSC-SSP, позволяют обнаружить существование невидимых сгустков темной материи. Влияние гравитационного линзирования выражается в когерентном искажении структуры галактик, расположенных за одним и тем же сгустком темной материи. Оценка формы галактик и расстояний до них - ключевой шаг в обнаружении слабых гравитационных сигналов и в измерении распределения материи во Вселенной. (Изображение предоставлено National Aeronautics and Space Administration, NASA, ESA, Physical Review D).Бхувнеш Джайн ( Bhuvnesh Jain) астрофизик из Пенсильванского университета и участник коллаборации Dark Energy Survey, считает, что последние результаты более надежны, однако точка в этом вопросе еще не поставлена. Полученные результаты можно объяснить и другими причинами, например, типичным недостатком подобных оценок. "Не исключено, что мы все делаем одну и ту же ошибку", - продолжает он. "Больше всего меня беспокоит то, что калибровка и методология в данном контексте частично пересекаются".

Ученые считают, что ответ на вопрос о том, имеет ли расхождение между методами измерения S8 с помощью гравитационного линзирования и CMB какое-то физическое объяснение или это просто статистическая погрешность, должен быть получен в ближайшие несколько лет. Совсем скоро будут введены в строй несколько новых радиотелескопов, в том числе обсерватория Vera C. Rubin в Чили. Они предоставят данные по огромным выборкам галактик с разрешением, в 10 раз превышающим возможности любого из нынешних экспериментов по гравитационному микролинзированию.

"Последние данные (HSC) чрезвычайно важны, поскольку они наиболее похожи на те, что мы получили в ходе исследования Vera C. Rubin", - говорит Майкл Троксель из Университета Дьюка в Северной Каролине, также являющийся участником коллаборации Dark Energy Survey. "Если там действительно есть что-то, что можно найти, мы найдем это в следующих экспериментах, и этот набор данных действительно является самым важным для подготовки к новым калибровкам".

25 миллионов — количество галактик, наблюдаемых с целью измерения параметра S8

Если измерения S8 в HSC и других тестах гравитационного микролинзирования верны, это означает, что мы стоим перед лицом какого-то "фундаментального непонимания" свойств нашей Вселенной, но пока непонятно, в чем именно может заключаться это непонимание.

Во Вселенной было два Больших взрыва: Выдвинута новая гипотеза происхождения тёмной материи

"Возможно, во Вселенной чуть меньше какого-то вида материи или чуть больше… Или может быть, мы просто неверно понимаем динамику кластеризации темной материи", - говорит Троксель. "Метод слабого гравитационного линзирования особенно важен для понимания распределения темной материи, поскольку единственный способ определить ее местонахождение — это изучение ее гравитационных эффектов", - утверждает эксперт.

Космологи изучают Вселенную, выполняя огромное количество наблюдений с помощью различных современных методов. Каждое наблюдение потенциально способно раскрыть различные детали о составе Вселенной за определенный период ее истории. Астрономический обзор - карта области неба - является мощным способом сканирования большого участка Вселенной и содержащихся в ней объектов. Например, в рамках метода слабого гравитационного линзирования удается получить четкие изображения галактик. Затем эту информацию можно использовать для составления карты распределения материи во Вселенной на протяжении всей ее истории. В течение последних шести лет группа специалистов HSC-SSP посвятила 330 ночей, просканировав 3 % всего сферического неба, регистрируя свет, который излучали галактики около 10  млрд лет назад. 

Не исключено, что к этому причастна и так называемая темная энергия. "Если наше понимание темной энергии как космологической константы ошибочно или в свойствах темной энергии есть некий элемент временной эволюции, то это многое бы объяснило", - считает Троксель.

Проблема может заключаться даже в чем-то менее экзотическом, считает Далал. "Например, мы не знаем, как работают такие вещи, как реактивные струи сверхмассивных черных дыр, поэтому вполне вероятно, что наши модели не учитывают весь спектр возможных вариантов. Если такие струи работают иначе, то и ожидаемые значения S8 могут отличаться", - говорит она.

“Как только результаты этих исследований будут подтверждены с помощью следующего поколения мощнейших телескопов, мы сможем приступить к корректировке наших представлений о космологии и попытаться разрешить проблему S8 - не нарушая при этом основных принципов мироздания”.

Для проведения дальнейших измерений космологам нужны более совершенные средства наблюдения. Некоторые из них уже появились, в том числе, благодаря недавно запущенному телескопу Euclid Европейского космического агентства и  готовящейся к запуску обсерватории Vera C. Rubin в Чили. Также в процессе строительства находятся римский космический телескоп Нэнси Грейс и китайский обзорный космический телескоп.

В космологических наблюдениях снова обнаружились противоречия. Новый анализ распределения материи во Вселенной вновь обнаружил несоответствие в "комковатости" темной материи как в поздней, так и в ранней Вселенной, что указывает на фундаментальную ошибку в стандартной космологической модели.

Каждая из этих установок позволит наблюдать не миллионы как прежде, а миллиарды галактик и примерно в 10 раз больше неба, чем наблюдал HSC-SSP. Будущие космические телескопы также будут отличаться разрешением примерно в 7 раз более четким, чем у HSC. Наблюдая миллиарды галактик с таким беспрецедентным охватом неба и разрешением, эти грядущие наблюдения позволят существенно расширить наше представление о Вселенной. Своевременная публикация новых результатов HSC-SSP и знания, накопленные коллаборацией при создании надежных систем анализа, будут иметь большое значение для успеха этих предстоящих исследований.

Наступает новая удивительная эра космологических открытий.