Астрономия

Согласно стандартной космологической модели (лямбда-CDM), Вселенная расширяется с ускорением под воздействием темной энергии. Она, по оценкам, составляет до 70% космоса. Однако новая математическая модель, разработанная физиками из Германии и Румынии, показала, что экспоненциальное расширение возможно даже без нее.

В 1998 году, наблюдая за сверхновыми типа Ia, астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Тогда открытие, за которое впоследствии присудили Нобелевскую премию, не смогли объяснить с помощью Общей теории относительности. Последняя гласит, что такое ускорение невозможно: если во Вселенной присутствуют только обычная материя и излучение, то их гравитация должна замедлять расширение, а не наоборот.

Для объяснения ускорения ученые ввели гипотетическую темную энергию: в стандартной модели (ΛCDM, или лямбда-CDM) ее эффект описывают с помощью космологической константы Λ, предложенной самим Эйнштейном. Она «действует» как антигравитация, «расталкивающая» галактики.

Но есть проблемы: природа темной энергии неизвестна, а измеренная скорость расширения Вселенной — так называемая постоянная Хаббла — различается в зависимости от метода расчета. Это создает одно из главных противоречий стандартной космологической модели, о чем Naked Science рассказывал ранее.

Чтобы понять, можно ли убрать из уравнения темную энергию (что существенно облегчило бы задачу), авторы новой научной работы, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, обратились к основанной на ОТО финслеровой геометрии — самостоятельной ветви дифференциальной геометрии, которая в последние годы активно используется в теоретической физике, — а точнее, к ее роли в появлении структуры пространства-времени и теории гравитации.

Математическая модель, разработанная физиками под руководством Кристиана Пфайфера (Christian Pfeifer) из Бременского университета (Германия), показала, что при учете более сложной (по сравнению с ОТО) структуры движения частиц пространство-время может расширяться с ускорением даже в полном вакууме.

Исследователи исходили из идеи о том, что многие физические системы — от звезд и газовых облаков до всего космоса — можно описать как кинетические газы, чье поведение задается распределением частиц по скоростям. Выяснить, влияют ли на гравитацию все моменты распределения скоростей частиц, помогла финслерова геометрия: расстояние и метрика в ней зависят не только от координат, но и от направления и скорости движения.

Затем, включив в модель все характеристики распределения частиц, физики вывели финслеровы уравнения Фридмана, описывающие эволюцию Вселенной. Решением уравнений для вакуумного состояния — без материи и излучения — неожиданно стала экспоненциально расширяющаяся Вселенная. Результаты подтвердили с помощью численного моделирования.

Таким образом, объяснить ускоренное расширение космоса можно без привлечения космологической константы Λ, то есть темной энергии. Пфайфер и коллеги отметили, что финслерова Вселенная стабильна и ведет себя аналогично наблюдаемой, с той лишь разницей, что ее ускоренное расширение возникло естественным образом из геометрических свойств пространства-времени.

Результаты следует интерпретировать с осторожностью: новая модель вакуумная и требует проверки в сценариях с материей, а сами авторы не отвергают темную энергию полностью.