Стандартна космологічна модель, заснована на теорії Великого вибуху, передбачає, що Всесвіт розширюється і прискорюється завдяки наявності темної енергії. Одним з головних доказів цієї моделі вважається космічний мікрохвильовий фон - КМФ - реліктове випромінювання, яке заповнює Всесвіт від початку його виникнення, коли матерія стала прозорою для світла.
Спектр КМФ відповідає випромінюванню чорного тіла з температурою близько 2,7 К, демонструючи крихітні флуктуації температури й поляризації, що відображають варіації густини й швидкості в юного всесвіту.
Ці коливання узгоджуються з прогнозами інфляції - гіпотетичного періоду експоненціального розширення в перші частки секунди після Великого вибуху. Останній спричинив первісні збурення густини та запустив механізм утворення масштабних структур, таких як галактики та зоряні скупчення.
Однак не всі космологи погоджуються з такою інтерпретацією КМФ. За останні 40 років було запропоновано декілька альтернативних теорій, які кидають виклик стандартній моделі та її припущенням про темну матерію і темну енергію.
Одна з таких моделей базується на ідеї, що реліктове випромінювання - це залишкове світіння давніх галактик та інших астрономічних об'єктів, а не як не Великого вибуху. Згідно з цією моделлю, не існує ніякої темної енергії, не існувало й інфляції. Такого роду теорії безглузді для пояснення спостережуваних властивостей КМФ.
Щоб оцінити альтернативні моделі, порівняємо їхні основні положення та передбачення, враховуючи різні методи вимірювання.
Доктор Пріямвада Натараджан, відомий астрофізик-теоретик з Єльського університету, представляє “традиціоналістське крило” в космології. Природа космічного розширення, за її словами, невід'ємно пов'язана з темною матерією і темною енергією.
"Темна матерія з її гравітаційними ефектами та темна енергія з її протилежними, відштовхувальними ефектами разом формують еволюцію Всесвіту", - впевнена Натараджан.
Вона визнає, що хоча ми не можемо безпосередньо виявити ці сутності, їхнє існування підтверджується непрямими доказами впливу на видимий всесвіт.
Адам Рісс, нобелівський лауреат, професор фізики та астрономії в Університеті Джона Гопкінса, займається пошуком наднових. Саме він у 1998 році заявив, що розширення Всесвіту прискорюється.
Свій висновок він зробив на основі аналізу статистичних даних цілої когорти наднових типу Ia, розуміючи під ними так звані “стандартні свічки”. Це зорі, що вибухають, мають відому внутрішню яскравість і використовуються для вимірювання далеких відстаней.
Рісс і його команда вдосконалювали свої практики, використовуючи дані з різних телескопів, в тому числі "Габбл", "Спітцер", "Гайя" та інші. Вони також отримали значення постійної Габбла, швидкість розширення всесвіту, в 73,5 км/с/Мпк. А це означає, що галактики віддаляються одна від одної зі швидкістю, яка збільшується на 73,5 км/с на кожен мегапарсек. Тобто матеріальний світ за рік стає більшим на 3,26 мільйона світлових років.
Отримане науковцями значення суперечить іншому показнику, - 66,9 км/с/Мпк, Виходить, або розрахунки космічного зонда імені Планка неправильні, або в нашому розумінні космології щось “не те”. Або існує невідома форма темної матерії чи темної енергії, яка корегує рух зоряних скупчень. А, можливо, праві прихильники MOND, і ми маємо справу з модифікованою гравітацією.
Рісс впевнений, що його вимірювання більш точні, ніж обчислювання Планка. Він сподівається, що майбутні спостереження з нових телескопів, на кшталт JWST або WFIRST, допоможуть розв'язати загадку фізичної природи темної енергії.
Своєю чергою, Жоао Магейо, професор теоретичної фізики в Імперському коледжі Лондона і піонер теорії змінної швидкості світла (VSL), припускає: швидкість світла в ранньому Всесвіті була набагато вищою, ніж сьогодні. А отже, можна пояснити деякі особливості реліктового випромінювання без залучення інфляції чи темної енергії.
Магейо стверджує, що теорія VSL розв'язує дві основні проблеми в космології: проблему горизонту і проблему пласкості. Проблема горизонту стосується того факту, що регіони космосу, які знаходяться надто далеко один від одного, щоб коли-небудь перебувати в причинному контакті, мають однакову температуру та густину. Проблема пласкості зводиться до наступного: геометрія простору дуже близька до пласкої, а відтак вимагає точного налаштування підбору початкових умов всесвіту.
Інфляція долає ці проблеми, постулюючи короткий період експоненціального розширення, який розтягує всесвіт та згладжує його нерівності.
Однак, за словами Магейо, інфляція - лише спеціальна гіпотеза, яка вводить нові проблеми, такі як походження і кінець інфляції або генерація первинних гравітаційних хвиль.
Теорія ЗШС допускає велику швидкість світла у ранньому всесвіті, дозволяючи віддаленим регіонам взаємодіяти один з одним і досягати теплової рівноваги. Вона також пророкує що простір був викривлений у минулому, але став більш пласким, коли швидкість світла сповільнилась.
Магейо вказує, що його підхід простіший та елегантніший, ніж теорія інфляції. А якщо шукати специфічні підписи у КМФ - негаусовість, нескалярність, порушення парності, - то можна її доказати, спираючись на астрономічні спостереження.
Натомість Ліза Рендалл, професорка теоретичної фізики Гарвардського університету та експертка з фізики елементарних частинок, вже декілька років досліджує гравітаційні хвилі, пульсації у просторі-часі, що виникають внаслідок злиття чорних дір або нейтронних зірок.
Вона сподівається таким чином знайти докази існування темної матерії та темної енергії.
Рендалл вважає, що гравітаційні хвилі гарантують незалежні вимірювання космічного розширення, якщо використовувати їх як стандартні сирени. Щось на зразок “стандартних свічок” Адама Рісса, тільки в такому випадку мова йде про кодування інформації залежно від відстані й червоне зміщення.
Порівнюючи ці вимірювання з результатами електромагнітних спостережень наднових або галактик, ми можемо перевірити, чи існують невідповідності або відхилення від математичних моделей.
Рендалл також впевнена, що за допомогою гравітаційних хвиль можна дослідити природу і розподіл темної матерії у Всесвіті, вивчаючи, як вони взаємодіють з нею. Наприклад, гравітаційні хвилі можуть лінзуватись проміжними згустками темної матерії, створюючи множинні зображення або спотворення в сигналах.
На них також може впливати акреція темної матерії до чорних дір або нейтронних зірок, змінюючи масу або спін астрономічних об’єктів.
Сабіна Госсенфельдер, точно опозиціонерка у світі космології та гроза квантових авторитетів, наполягає на простій думці: фізики стали надмірно покладатися на “математичну красу” та елегантність як на керівництво до побудови фундаментальних теорій.
У своїй книзі "Загублені в математиці: Як краса збиває фізику зі шляху" Госсенфельдер стверджує, що гонитва за естетичними математичними формулюваннями призвела до того, що фізики надають перевагу неперевіреним теоріям, на зразок теорії струн і суперсиметрії.
На її думку, сучасне розуміння розширення Всесвіту, темної матерії та темної енергії обмежене недосконалими теоретичними моделями й методологіями.
"Наука повинна спиратися на емпіричні докази й робити прогнози, які перевіряються. Нам потрібні більш надійні, прямі докази існування темної матерії та темної енергії, перш ніж ми зможемо зробити висновок, що Всесвіт розширюється під їх впливом", - каже вона.
