Переосмислення космології: розширення Всесвіту може бути не рівномірним

Протягом десятиліть астрономи припускали, що Всесвіт розширюється з однаковою швидкістю у всіх напрямках. Нове дослідження пропонує, що ця ключова передумова космології може бути помилковою.

Про це розповідається в прес-реліз Європейського космічного агентства (ЄКА).

Костянтинос Мігкас, доктор наук з астрономії та астрофізики Боннського університету, Німеччина, та його керівник Томас Рейпріх першочергово мали намір веріфікувати новий метод, який дозволить астрономам перевірити так звану гіпотезу ізотропії. Згідно з цим припущенням, Всесвіт, незважаючи на деякі локальні відмінності, має однакові властивості в кожному напрямку у великому масштабі.

Широко визнана як наслідок усталеної фундаментальної фізики, гіпотеза була підкріплена спостереженнями за космічним мікрохвильовим фоном (КМФ). Прямий залишок Великого Вибуху, КМФ відображає стан Всесвіту у такому вигляді, яким він був у зародковому стані, лише у віці 380 тисяч років. Рівномірний розподіл КМФ в небі свідчить про те, що в ті перші дні Всесвіт повинен був швидко й з однаковою швидкістю розширюватися у всіх напрямках.

Однак, у сьогоднішньому Всесвіті це може більше не бути правдою.

«Разом з колегами з Боннського та Гарвардського університетів ми розглядали поведінку понад 800 галактичних кластерів у сучасному Всесвіті», - каже Константінос. «Якби гіпотеза ізотропії була правильною, властивості кластерів були б однорідними по всьому небу. Але насправді ми побачили суттєві відмінності».

Астрономи використовували рентгенівське вимірювання температури надзвичайно гарячого газу, що пронизує кластери, і порівнювали дані з тим, наскільки яскраві кластери з'являються на небі. Кластери однакової температури і розташовані на однаковій відстані повинні виглядати однаково яскраво. Але це не те, що спостерігали астрономи.

«Ми бачили, що кластери з однаковими властивостями, зі схожою температурою виявилися менш яскравими, ніж ми очікували б у одному напрямку неба, і яскравішими, ніж очікувалося в іншому напрямку», - каже Томас. «Різниця була досить істотною, близько 30 відсотків. Ці відмінності не є випадковими, але мають чітку закономірність залежно від напрямку, в якому ми робили спостереження в небі».

Перш ніж кинути виклик загальноприйнятій космологічній моделі, яка дає підґрунтя для оцінки кластерних відстаней, Костянтинос та його колеги спочатку розглянули інші можливі пояснення. Можливо, там могли бути непомічені газові чи пилові хмари, що затьмарюють вид і роблять кластери в певній області більш тьмяними. Однак, дані не підтримують цей сценарій.

У деяких регіонах космосу на розподіл кластерів можуть впливати об'ємні потоки, великомасштабні рухи матерії, викликані гравітаційним потягом надзвичайно масивних структур, таких як великі групи кластерів. Однак, ця гіпотеза також здається малоймовірною. Константінос додає, що результати застали команду зненацька.

«Якщо Всесвіт справді анізотропний, навіть якщо тільки останні кілька мільярдів років, це означало б величезний зсув парадигми, оскільки повинен бути врахований напрямок кожного об'єкта, коли ми аналізуємо їх властивості», - говорить він. «Наприклад, сьогодні ми оцінюємо відстань дуже віддалених об’єктів у Всесвіті, застосовуючи набір космологічних параметрів та рівнянь. Ми вважаємо, що ці параметри скрізь однакові. Але якщо наші висновки правильні, то це було б не так, і нам би довелося переглянути всі наші попередні висновки».

«Це надзвичайно захоплюючий результат», - коментує Норберт Шартель, науковець проекту XMM-Newton в ЄКА. «Попередні дослідження припускали, що нинішній Всесвіт можливо не розширюється рівномірно у всіх напрямках, але цей результат - перший раз, коли таке випробування проводилося на галактичних кластерах у рентгенівських променях - має набагато більшу значимість, а також виявляє великий потенціал для майбутніх досліджень.»

Вчені припускають, що цей, можливо, нерівномірний ефект на космічне розширення може бути спричинений темною енергією, таємничою складовою космосу, на яку припадає більшість - близько 69% - його загальної енергії. Про темну енергію сьогодні відомо дуже мало, за винятком того, що вона, як вбачається, прискорила розширення Всесвіту за останні кілька мільярдів років.

Майбутній телескоп ЄКА «Евклід», призначений для отримання зображень мільярдів галактик і ретельного вивчення розширення космосу, його прискорення та природи темної енергії, може допомогти розгадати цю таємницю в майбутньому.

«Результати дійсно цікаві, але вибірка, включена в дослідження, все ще порівняно мала, щоб зробити такі глибокі висновки», - говорить Рене Лаурейс, науковець проекту «Евклід» в ЄКА. «Це найкраще, що можна зробити з наявними даними, але якби ми дійсно переосмислюємо загально прийняту космологічну модель, нам би знадобилося більше даних».

І «Евклід» міг би зробити це. Космічний апарат, який буде запущений у 2022 році, може виявити не лише докази того, що темна енергія дійсно розтягує Всесвіт нерівномірно в різних напрямках, він також дасть можливість вченим зібрати більше даних про властивості великої кількості кластерів галактик, що може підтримати або спростувати поточні висновки.

Подальші дані також незабаром мають надійти від рентгенівського інструменту eROSITA, зробленого Інститутом позаземної фізики Макса Планка. Прилад, встановлений на борту нещодавно запущеного німецько-російського супутника Spektr-RG, проведе перший огляд всього неба за допомогою рентгенівських променів середньої енергії, зосередивши увагу на виявленні  десятки тисяч раніше невідомих скупчень галактик та активних галактичних центрів.

Це дослідження було опубліковано в журналі «Astronomy & Astrophysics».

* На фото: Карта, що показує швидкість розширення Всесвіту в різних напрямках по небу на основі даних рентгенівських обсерваторій XMM-Ньютон ЄКА, Чандра НАСА та керованої Німеччиною ROSAT. © K. Migkas et al.

Читайте ще цікаві новини про космос.