Странности в наблюдениях Вселенной объяснили сбоем в теории Эйнштейна
Ученые Университета Ватерлоо и Университета Британской Колумбии предположили, что в общей теории относительности Эйнштейна существует несоответствие, называемое космическим сбоем или глитчем. Согласно статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, этот глитч начинает проявляться в больших масштабах и может объяснять странности в наблюдениях Вселенной. Текст также доступен на сервере препринтов arXiv.
Считается, что общая теория относительности (ОТО), описывающая гравитацию как проявление геометрии пространства-времени, должна отвечать нескольким важным условиям, таким как общая ковариация (отсутствие предпочтительной системы отсчета) и минимальное число степеней свободы, выражающихся в двух типах поляризации гравитационных волн. Однако несогласованность ОТО с квантовой теорией подтолкнуло ученых к исследованиям за пределами этого набора предположений.
Существенные изменения ОТО приведут к увеличению степеней свободы, что допускается в очень специфических условиях, например, модификациями теории относительности, описывающими экстремальную гравитацию вблизи черных дыр. Поэтому ученые предположили, что если и существует какие-то изменения в гравитационной постоянной, то в обычном пространстве-времени они могут проявиться только на очень больших расстояниях, недоступных для наблюдений.
Некоторые теории вводят несоответствие между гравитационной постоянной Ньютона, действующей в видимой Вселенной, и гравитационной постоянной, действующей в масштабах космологического супергоризонта — то есть на расстояниях, превышающих радиус Хаббла, за пределами которого объекты удаляются со скоростью выше скорости света. Это несоответствие называется космическим глитчем в гравитации (англ. cosmic glitch in gravity).
В новой работе ученые предложили модель, модифицирующую теорию относительности за счет глитча и учитывающую наблюдения космологического микроволнового фона, проведенного орбитальной обсерваторией Planck. Оказалось, что в стандартную модель Вселенной — «Лямбда-CDM» (ΛCDM) — может быть добавлен один дополнительный параметр, являющийся компонентом темной энергии — гипотетической энергии, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением.
Этот параметр, измеряющий силу космического глитча, может иметь какой угодно знак, то есть он может либо усиливать, либо ослаблять гравитацию. Однако авторы выяснили, что отрицательный знак предпочтительнее из-за так называемого напряжения Хаббла. Если гравитация в масштабах космологического сверхгоризонта ослабляется, то это уменьшает несоответствие в ряде космологических наблюдений, не затрагивая существенно саму ОТО, которая неоднократно была подтверждена эмпирическими проверками.
Напряжением Хаббла называют расхождения в результатах измерения расширения Вселенной с помощью различных методов, доказавших свою надежность. Так, измерения космического микроволнового фона показывают, что постоянная Хаббла, связывающая скорость удаления галактики с расстоянием до нее, равна 67,31 километра в секунду на мегапарсек. В то же время метод, основанный на измерении расстояний до сверхновых типа Ia (являющихся стандартными свечами) в галактиках, указывают на иное значение постоянной Хаббла — от 73,3 до 76,5 километра в секунду на мегапарсек. Некоторыми учеными это несоответствие считается признаком кризиса ΛCDM.