Новое исследование в поддержку отсутствия тёмной материи может подтвердить возраст некоторых «невозможных» наблюдений в 50 млн лет

Модель предсказывает возраст Вселенной в 26,7 миллиардов лет

Текущая теоретическая модель состава Вселенной предполагает, что она состоит из обычной материи, тёмной энергии и тёмной материи. Однако новое исследование, опубликованное 15 марта в журнале The Astrophysical Journal, ставит под сомнение эту модель, утверждая, что в ней нет места для тёмной материи.

В космологии термин «тёмная материя» предполагает вещество, которое не взаимодействует со светом или электромагнитным полем, а его поведение можно объяснить только гравитацией. Оно не было зарегистрировано напрямую, однако помогает понять, как функционируют галактики, планеты и звёзды.

Профессор физики Раджендра Гупта из Университета Оттавы исследовал комбинацию коварирующих констант связи (CCC) и теории «усталого света» (TL) в своей модели, названной CCC+TL. Эта модель объединяет две идеи о том, как сила взаимодействия частиц изменяется со временем и как фотоны теряют энергию на больших расстояниях. Модель показала соответствие нескольким наблюдениям, включая распределение галактик и эволюцию объектов в ранней Вселенной.

Эта модель бросает вызов представлению о составе Вселенной, согласно которому примерно 27% составляет тёмная материя, менее 5% — обычная материя, а остальное приходится на тёмную энергию.

Одной из ключевых проверок космологической модели является воспроизведение распределения галактик с помощью барионных акустических колебаний (BAO). Эти колебания возникли из волн в барионно-фотонной жидкости, когда фотоны и барионы разделились после Большого взрыва. Их можно наблюдать как маленькие температурные флуктуации в реликтовом излучении, которое наблюдается как космический микроволновый фон (CMB). Считается, что эти колебания перерастают в крупномасштабные структуры, поскольку области возмущений с более высокой плотностью становятся точками зарождения галактик. Поэтому ожидается, что BAO будут коррелировать с образованием структур во Вселенной и могут служить ключевым инструментом для проверки космологических моделей. Наблюдение особенностей BAO на разных красных смещениях подтверждает первичную гравитационную нестабильность и базовую парадигму формирования структур. Это поддерживает модель ΛCDM, основанную на результатах наблюдений реликтового излучения. Относительная слабость BAO предполагает 1:5 отношение барионов к тёмной материи, поскольку Вселенная с преобладанием барионов будет иметь намного более выраженные BAO, чем наблюдаемая. А наблюдаемый масштаб в пространстве красных смещений согласуется с моделью ΛCDM, полученной на основе реликтового излучения и других наблюдений. В 2013 году было показано, что BAO могут эффективно ограничивать космологический параметр и проверять модель.

В новом исследовании использовались измерения BAO пар галактик при разных красных смещениях. Целью было проверить согласованность гибридной модели CCC+TL с наблюдаемыми особенностями BAO в реликтовом излучении. CCC+TL удалось объяснить наблюдаемые особенности BAO, выявленные космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), демонстрирующие необычную морфологию галактик на рассвете Вселенной.

Галактики, возникшие в ранней Вселенной, некоторые из которых произошли менее чем через 500 миллионов лет после Большого взрыва, по наблюдениям, имеют схожую форму, структуру и массу с галактиками, которые существовали миллиарды лет, лишь с на порядок уменьшенными угловыми размерами, чем ожидалось для таких галактик. Были предприняты попытки решить эту задачу, модифицировав модели формирования звёзд и галактик, включая сокращение времени их образования и учёт первичных массивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Однако такие модели требуют значительных вычислительных ресурсов и ограничены доступностью в исследовательском сообществе. Существуют исключения, но большинство из них не подходят для одновременного моделирования физики формирования галактик и космической реионизации в течение первого миллиарда лет истории Вселенной. Некоторые исследователи предполагают, что необходима новая физика для объяснения этих наблюдений.

Модель CCC+TL предсказывает возраст Вселенной в 26,7 миллиардов лет, что отличается от общепринятого значения 13,8 миллиардов лет. Это предположение требует проверки на основе наблюдений, включая BAO, CMB, артефакты Большого Взрыва и шаровых скоплений. В данном исследовании основное внимание уделяется BAO. В стандартной космологии считается, что ускоренное расширение Вселенной вызвано тёмной энергией, но в новой трактовке оно происходит из-за ослабления связей по мере её расширения.

Существует несколько статей, ставящих под сомнение существование тёмной материи, но моя, насколько мне известно, первая, которая исключает её существование, но при этом согласуется с ключевыми космологическими наблюдениями, которые у нас было время подтвердить, — говорит Гупта.

Новая модель CCC+TL подразумевает, что плотность барионов совпадает с критической плотностью. В отличие от стандартной модели, в CCC+TL отсутствует тёмная энергия, а вся критическая плотность объясняется барионной материей. Она составляет всего 3,1% от стандартной модели.

Новая модель требует дальнейших исследований и проверки на основе наблюдений, чтобы убедиться в её точности и согласованности с другими космологическими моделями. Возникает вопрос, какие эксперименты могут помочь при проверке существования двух компонентов красного смещения. Например, можно использовать метод проверки дрейфа красного смещения, который позволит прямо измерить космологическое расширение, используя гравитационно-линзированные изображения далёких объектов. Разные изображения объекта, полученные в один и тот же момент времени, будут проходить разные расстояния, что значит, что фотоны покидали объекты в разное время. Путём точного измерения красного смещения и сравнения скоростей расширения, рассчитанных по разным изображениям, можно определить дрейф красного смещения и, таким образом, космологическое расширение. Различие в значениях скоростей расширения, вычисленных по разным изображениям, может быть связано с красным смещением, обусловленным «усталым светом». 

Ещё одним методом является анализ сверхновых типа Ia с чётко выделенным профилем блеска или квазаров с профилем флуктуаций блеска. Маркеры яркости этих объектов проявляются на наблюдениях в разное время, а различные пути света будут обусловлены на красном смещении «усталостью света», в то время как красное смещение из-за расширения будет на всех наблюдениях одинаковым.

Также можно рассмотреть разработку эксперимента для проверки изменения констант связи. В модели CCC изменение нескольких констант связи определяется одной функцией. Если одна константа связи зафиксирована, то эта функция останется постоянной, и все остальные константы связи не будут меняться. Однако требуется поиск подходящих наблюдений, которые смогут обнаружить изменение этой функции и, соответственно, констант связи.

Определение возраста шарового скопления может не предоставить ответа на вопрос о модели, основанной на предсказании возраста Вселенной. Возраст шаровых скоплений зависит от модели и часто корректируется, когда он превышает возраст Вселенной. Например, возраст некоторых скоплений ранее был оценён в 15,8 ± 2,1 миллиарда лет. Как пример, при актуализации параметров эволюции звёзд, возраст звезды Мафусаил (HD 140283) был скорректирован с 14,5 ± 0,8 миллиарда лет до «комфортных» 12,0 ± 0,5 миллиарда лет. 

Если будет подтверждено, что возраст Вселенной значительно больше принятых 13,8 миллиарда лет, то астрофизики не будут ограничены оценкой возраста звёзд. В частности, это может дать возможность подтвердить возраст шарового скопления NGC104 между 19,04 и 20,30 миллиардами лет, как было оценено при допущении возраста Вселенной в 26,7 млрд лет. Не имея ограничений, которые могли бы касаться и молодых кластеров, возраст рассеянного скопления IC 4665 изменился бы с 32 миллионов лет до более 50 миллионов лет.

Автор отмечает, что работа с моделью CCC+TL более сложная, чем с моделью ΛCDM. В эпоху точной космологии необходимо быть внимательными к новым моделям, которые могут выходить за рамки стандартной модели. Неосторожное или неправильное применение модели CCC+TL может привести к неверным результатам, поэтому все возможные влияния перехода от стандартной модели к модели CCC+TL должны тщательно учитываться.

При этом, модель CCC+TL решила проблему «невозможных ранних галактик», растягивая, а не сжимая временную шкалу формирования звёзд и галактик, как того требует модель ΛCDM.