26,7 миллиарда лет без темной материи: новая космология выдержала экзамен нуклеосинтеза

Исследователи из Оттавского университета под руководством профессора Раджендры Гупты и научного сотрудника Николаоса Самараса показали, что альтернативная модель Вселенной возрастом 26,7 миллиарда лет, не требующая темной материи и темной энергии, успешно прошла проверку нуклеосинтезом Большого взрыва — расчетами образования легких элементов в ранней Вселенной. Работа опубликована в журнале Universe.

Современная картина мира держится на двух невидимых опорах — темной материи и темной энергии. Первую ищут по гравитационному влиянию на галактики, вторую по ускоренному расширению пространства, но напрямую ни то, ни другое так и не обнаружено. При этом стандартная модель ΛCDM то и дело спотыкается о наблюдения: телескоп Джеймс Уэбб находит зрелые массивные галактики там, где по расчетам у них просто не было времени сформироваться. Именно эти странности подтолкнули ученых к радикальной идее: а что если никакой темной материи и энергии нет вовсе, а то, что мы им приписываем, есть следствие медленного изменения фундаментальных констант, задающих взаимодействия частиц и сил.

Модель получила название CCC+TL, что расшифровывается как «совместно изменяющиеся константы связи плюс усталый свет». Вторая часть названия отсылает к давней гипотезе о том, что свет по пути к нам теряет энергию не из-за расширения пространства, а из-за взаимодействия с межгалактической средой. Первая — к идее, что сами константы не вечны, а меняются вместе с эпохой. Вместе эти два допущения позволяют переписать уравнения Эйнштейна и Фридмана, описывающие гравитацию и расширение Вселенной, так, что необходимость в невидимых загадочных субстанциях отпадает. Платой за смелость стала необходимость заново, с нуля, строить уравнения и компьютерные коды под каждый конкретный тест, просто механически подправить стандартную модель здесь не получится.

Самая ответственная проверка касалась первых минут космической истории. Нуклеосинтез Большого взрыва это строгий экзамен: соотношение водорода, гелия и других легких элементов жестко зависит от того, насколько быстро расширялась и остывала Вселенная в ту эпоху. Команда показала, что в модели CCC+TL ранняя динамика сводится к согласованному изменению масштаба всех величин, имеющих размерность длины, при этом безразмерные константы и их отношения остаются неизменными.

На красных смещениях, важных для нуклеосинтеза, поправка выходит на постоянное плато, примерно втрое растягивая время остывания между появлением слабых взаимодействий и началом образования ядер. Если темпы реакций и распадов, определяющие время жизни нейтрона, масштабируются так же, как скорость расширения, то итоговые доли элементов остаются прежними. Прогнав оба сценария через вычислительную сеть Кавано/NUC123, авторы получили практически идентичные результаты — расхождения на уровне тысячных и десятитысячных долей, что укладывается в погрешность округления. Иными словами, модель, которой не нужна темная материя, не противоречит самому древнему из доступных нам наблюдательных свидетельств.

Проверка на этом не закончилась. Ученые сопоставили предсказания модели с измерениями космического хронометра — метода, оценивающего темп расширения по возрасту галактик, и совпадение оказалось хорошим. В отдельной работе, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, они применили модель к 175 галактикам из базы SPARC и сумели воспроизвести их кривые вращения вообще без темной материи. Еще одно исследование, посвященное замедлению времени в наблюдениях сверхновых, также говорит в пользу CCC+TL, хотя эта статья пока проходит рецензирование. Отдельно команда разобрала скопление Пуля — знаменитый пример, где темную материю обычно «видят» по расхождению гравитации и горячего газа. По версии авторов, наблюдаемый эффект создает дополнительное гравитационное влияние самих галактик, а не рентгеновское свечение газа, хотя это подтверждение они называют предварительным и требующим дальнейшей проверки.

Отдельная привлекательная черта модели в том, что она снимает загадку ранних зрелых галактик. В стандартной картине на заре космоса, при том же наблюдаемом красном смещении, Вселенной было около 300 миллионов лет. В CCC+TL — примерно 4,6 миллиарда. Этого запаса времени достаточно, чтобы будущие галактики успели вырасти: по расчетам исследователей, они оказываются примерно в 12 раз крупнее и массивнее, чем предсказывает ΛCDM.

Неудивительно, что Гупта называет невероятные ранние галактики предсказуемыми и ждет проверки от программы GLIMPSE телескопа Джеймс Уэбб, которая собирается искать объекты с красным смещением выше 50 — там, где стандартной модели времени на формирование массивных галактик, скорее всего, не хватит, а у CCC+TL такого ограничения нет. Есть и тонкость: если взять плотность барионов из подгонки данных Pantheon+, модель немного смягчает давнее расхождение по литию-7, но одновременно повышает предсказанное содержание дейтерия. Так что сам по себе нуклеосинтез не позволяет выбрать между разными оценками плотности барионов, для этого нужны дополнительные данные.

Результат исследования сводится к тому, что альтернативная космология, обходящаяся без темной материи и темной энергии, не разрушает хрупкую картину образования легких элементов в первые минуты существования Вселенной, а именно этот тест считается одним из самых жестких фильтров для любых смелых моделей. Вместе с совпадением с кривыми вращения галактик, данными космического хронометра и запасом времени на формирование ранних галактик это делает CCC+TL серьезным претендентом на место за пределами стандартной модели, хотя окончательный вердикт, как всегда в науке, остается за новыми наблюдениями.