Как е разпределена материята във Вселената и защо това е толкова важно?

Структурата на Вселената, нейният произход и еволюция са основните загадки на космологията. Според Стандартния модел, който описва формирането и еволюцията на Вселената, след Големия взрив Космосът е представлявал бълбукащ плазмен бульон, който е започнал бързо да се разширява благодарение на невидима сила – тъмната енергия. С разширяването на Вселената обикновената материя, взаимодействаща със светлината, се групирала около клъстери от невидима тъмна материя, образувайки първите галактики, свързани помежду си с огромна космическа мрежа.

По тази причина се смята, че обикновената материя, тъмната материя и тъмната енергия съставляват съответно около 5%, 25% и 70% от Вселената. Откритията, публикувани в списание Physical Review D, обаче показват, че стандартният космологичен модел е погрешен и че космосът не е толкова плътен, колкото са считали учените.

Проблемите на стандартния космологичен модел

Стандартният космологичен модел на Вселената е историята на еволюцията на Космоса, написана на езика на математическата физика. В него се казва, че всичко е започнало само за част от секундата след Големия взрив и всичко, което се е случило оттогава, може да бъде проследено до настоящия момент. Хиляди учени, сред които и Алберт Айнщайн, са допринесли за тази теория.

И така Общата теория на относителността логично твърди, че пространството е непрекъснато разширяващо се пространство-време, което включва цялата материя, енергия и елементарни частици (представени в Стандартния модел на физиката на елементарните частици). Основният принцип на класическия космологичен модел гласи, че Вселената е възникнала като свръхгорещ, свръхплътен „бульон“ от елементарни частици като кварки, електрони, фотони и други.

С течение на времето Стандартният модел се утвърждава все повече, а откриването на реликтовото излъчване – топлинното лъчение, останало от Големия взрив, което равномерно изпълва Вселената – се превръща в един от най-важните източници за космолозите и им помага да разширят границите на разбирането на космоса.

Само че реликтовото излъчване внася редица проблеми и парадокси в стандартния космологичен модел. Най-наболелият от тях е хомогенността на реликтовото излъчване, което изглежда по един и същ начин, накъдето и да погледнат астрономите. Това означава, че условията в отдалечените един от друг региони на ранната Вселена са били идентични – т.е. или в ранната Вселена се е случило нещо необяснимо, или еднородността на космическото микровълново фоново лъчение има някакво по-дълбоко обяснение.

В търсене на верните отговори физиците стигнаха до теорията за инфлацията, според която в първите секунди след Големия взрив Вселената се е разширявала с ускорени темпове. По-късно тази идея бе потвърдена и стана новата основа на стандартния космологичен модел. Към него обаче бяха добавени още две допълнения – първо, признанието, че във Вселената има повече материя, отколкото може да се види чрез телескопите, и второ, съществуването на много по-загадъчната невидима материя.

Космология в тъмното

В крайна сметка, проследявайки движението на материята, която излъчва светлина, астрономите бяха принудени да признаят, че във Вселената очевидно има много повече невидима или така наречената тъмна материя, която не е включена в Стандартния модел на физиката на елементарните частици. И това беше нещо съвсем ново. По-нататъшните наблюдения показаха, че тъмната материя съставлява около 85% от масата във Вселената.

По-нататък обаче нещата се усложниха още повече – изучавайки далечни свръхнови, астрономите откриха, че Вселената се разширява с ускорени темпове. Това означава, че цялото пространство трябва да е пълно с тази невидима форма на енергията, която го изтласква навън. Тази енергия беше наречена „тъмна енергия“ и се счита, че съставлява 75% от общия енергиен бюджет на Вселената.

Следователно инфлацията, тъмната материя и тъмната енергия са ключови фактори в настоящия космологичен модел. Този модел понякога се нарича инфлационна космология, която всеки студент трябва да научи и овладее. Обърнете внимание и на това, че в допълнение към успехите си класическият стандартен модел е в съответствие с ключовите характеристики на реликтовите карти и обяснява особеностите, наблюдавани в едромащабното разпределение на галактиките.

Няма съмнение, че стандартният космологичен модел е триумфът на досегашния научен процес. Въпреки това той не е лишен от недостатъци и редовно подлежи на преразглеждане.

Кризата на космологията

През 2023 г. проучване на над 25 милиона галактики разкри странно несъответствие в начина, по който астрономите измерват плътността на Вселената – откритие, което според авторите му може да застраши стандартния модел, описващ формирането и еволюцията на Вселената.

Несъответствието, открито чрез измерване на огъването на светлината от мощните гравитационни полета на далечните галактики, предполага, че космосът е по-малко плътен, отколкото се смяташе досега. Казано по-просто, новото откритие е предизвикателство, което дава път на така наречената „нова физика“ или на напълно различен модел на Вселената. Работата е публикувана в списание Physical Review D в края на декември.

Ние както преди оставаме предпазливи, за да не кажем, че настоящият космологичен модел е напълно погрешен. Но тъй като членовете на астрономическата общност са стигнали до същото заключение чрез многобройни експерименти, водещият космологичен модел вероятно ще трябва да бъде преразгледан“, казва в изявление Майкъл Щраус, ръководител на катедрата по астрофизични науки в Принстънския университет и съавтор на изследването.

„Ние както преди оставаме предпазливи, за да не кажем, че настоящият космологичен модел е напълно погрешен. Но тъй като членовете на астрономическата общност са стигнали до същото заключение чрез многобройни експерименти, водещият космологичен модел вероятно ще трябва да бъде преразгледан“, казва в изявление Майкъл Щраус, ръководител на катедрата по астрофизични науки в Принстънския университет и съавтор на изследването.

Отново да напомним, че се счита, че след Големия взрив космосът е представлявал бълбукащ плазмен бульон, който е започнал бързо да се разширява благодарение на невидима сила (тъмната енергия). С разширяването на Вселената обикновената материя, взаимодействаща със светлината, се струпва и сгъстява в клъстери от невидима тъмна материя, образувайки първите галактики, свързани помежду си с огромна космическа мрежа.

Колко материя има във Вселената?

Ново несъответствие по отношение на материята във Вселената е свързано с числото с интересното име S8, което измерва колко материя се натрупва във Вселената. Нови данни от японския телескоп Subaru, който изследва силата на изкривяването на светлината, дължащо се на наличието на материя в галактиките, дадоха възможност на изследователите да потвърдят мнението, че съществува реално разминаване между измерванията на натрупването в ранната Вселена и това, което е било преди 9 млрд. години.

Въпреки че проблемът показва още една голяма празнина в разбирането ни за Вселената, космолозите все още не разполагат с приемливи теории, които да заменят стандартния космологичен модел. Възможно е астрономите да грешат относно количеството на тъмната материя или начина, по който тя се събира заедно. Също така не можем да изключим, че тъмната енергия се е променяла в целия космос – обяснение, което вероятно би могло да даде решението както на проблема с константата на Хъбъл, така и на целия космологичен модел.

Или, което е най-интересното, резултатите от новото изследване могат да означават, че стандартният модел се нуждае от цялостно преразглеждане. За да са сигурни обаче, учените ще трябва да направят по-прецизни измервания с още по-мощни телескопи. Два такива претендента са обсерваторията „Вера Рубин“ в Чили и космическият телескоп „Нанси Грейс“ в Рим, които ще влязат в експлоатация съответно през 2025 и 2027 г. Но така или иначе ни очакват много интересни и изненадващи открития!