Сгрешил ли е Айнщайн? AI откри грешка в структурата на Вселената

Формата на Вселената не е тема, за която се замисляме всеки ден, но ново изследване подсказва, че космосът може да е „изкривен“, т.е. не еднакъв във всички посоки. Това е важно, тъй като най-популярната представа за функционирането на Вселената днес – Стандартният космологичен модел (ΛCDM) се основава на предположението, че средно Вселената е хомогенна и изотропна в големи мащаби, което означава, че изглежда приблизително еднакво навсякъде, където я погледнете.

Авторите на статията разглеждат един от най-фундаменталните проблеми на тази картина – така наречената аномалия на космическия дипол. Според тяхното заключение тя не просто добавя още една „странност“ към списъка с наблюдения, а поставя под въпрос самата основа на подхода, върху който е изградено съвременното описание на еволюцията и структурата на Вселената.

Отправната точка тук е реликтовото лъчение, или космическият микровълнов фон (КМВ) – „ехото“ от Големия взрив. То е удивително равномерно: температурата в цялото небе се различава само с части от процента, средно на ниво стохилядна част. Ето защо космолозите намират за удобно да описват Вселената с максимално симетричен модел на пространство-времето в рамките на общата теория на относителността – така нареченото описание на Фридман-Леметер-Робертсън-Уокър (FLRW). То прави уравненията на Айнщайн решими в практически смисъл и е в основата на ΛCDM.

Въпреки това, през последните десетилетия се натрупаха „напрежения“ – несъответствия между набори от данни, които в идеалния случай би трябваше да се съвпадат. Най-известното от тях е напрежението на Хъбъл, при което скоростта на разширяване на Вселената, изчислена от ранната Вселена, не съвпада с оценките от по-близките, „по-късни“ наблюдения.

Както обаче подчертават авторите, аномалията на космическия дипол е още по-фундаментална, защото тя противоречи на самата идея, че Вселената в голям мащаб е еднаква във всички посоки.

В микровълновия фон има една забележителна особеност: диполната анизотропия. Това е най-голямата температурна разлика в небето – едната страна е малко „по-топла“, а другата – малко „по-студена“, с около една хилядна. В рамките на стандартния модел това обикновено се обяснява просто: ние се движим спрямо „референтната рамка“ на реликтовото лъчение и поради ефекта на Доплер то изглежда малко по-горещо по посока на движението и по-студено в обратната посока.

Ключовият въпрос е: ако тази картина е вярна и Вселената наистина е средно симетрична, тогава подобен дипол би трябвало да се появи и в разпределението на материята – например в начина, по който много далечните радиогалактики и квазарите са разпределени в небето. През 1984 година астрономите Джордж Елис и Джон Болдуин предлагат тест: сравняване на дипола на микровълновия фон с дипола в разпределението на далечните източници. Важно е да се вземат много далечни обекти, за да не се обърка ефектът с локални „клъстери“ близо до нас, които могат да дадат фалшив сигнал.

В идеалния случай, ако предположението за FLRW е правилно, посоката и големината на „материалния дипол“ би трябвало да следват директно от това, което виждаме в микровълновия фон. Едно такова съвпадение би затвърдило стандартния модел. Несъответствие би означавало, че проблемът е по-дълбок – не в детайлите на ΛCDM, а в симетричното описание на самата Вселена.

Авторите твърдят, че се случва точно това: според данните Вселената „не издържа“ теста на Елис-Балдуин.

Посоките на диполите като цяло съвпадат, но величините не: анизотропията в разпределението на материята е по-силна, отколкото би трябвало да бъде, ако всичко се обяснява само с нашето движение и стандартната симетрична картина. Подобни резултати се получават при различни наблюдателни подходи, както с наземни радиотелескопи, така и със спътници, които гледат в средната инфрачервена област. Тъй като източниците на систематични грешки варират в широки граници при тези наблюдения, авторите смятат, че това повтарящо се откритие е по-скоро тревожен сигнал, отколкото случайна грешка.

Защо за тази аномалия се говори по-малко, отколкото за „напрежението на Хъбъл“? Според версията на изследователите причината е, че е трудно тя да бъде „закърпена“ с козметични корекции. Ако несъответствието е реално, не е достатъчно да се коригират параметрите на ΛCDM – ще трябва да се преразгледа самата основа, т.е. описанието FLRW, на което се основава обичайната картина на Вселената.

През следващите години космологията ще получи лавина от нови данни от мисии и телескопи от следващо поколение – в текста се споменават спътниците Euclid и SPHEREx, както и обсерваторията Vera Rubin и радиоинтерферометърът Square Kilometre Array. Авторите допускат, че именно този поток от наблюдения ще помогне или окончателно да се разсее аномалията, или ако тя се потвърди – да подтикне физиците към създаването на нов космологичен модел. Като един от инструментите те отделно споменават методите за машинно обучение, които все по-често се използват за анализ на огромни масиви от астрономически данни.