Космологічні сенсації в затишшя після штурму

Борис Штерн

Останнім часом у ЗМІ часто миготять сенсації із серії потрясіння основ космології. Причому більшість випливають з реферованих публікацій цілком професійних і часто відомих вчених — це аж ніяк не псевдонаука. Ніспровергаючі сенсації викликають ентузіазм мільйонів, спраглих крові наукового істеблішменту на чолі з Ейнштейном. Потім ці публікації піддаються іншими вченими критиці різного ступеня різкості і забуваються, але справно виникають нові.

Що є основами сучасної космології? Почнемо з теорій і моделей. Концепція Великого вибуху вже давно має такий же статус, як шароподібність Землі, хоча там і там свої ниспровергатели. Але вона дуже неповна — класична модель Великого вибуху вимагає філігранно підібраних початкових умов. Незважаючи на те, що ми явно бачимо наслідки Великого вибуху, він довгий час залишався великою загадкою.

Наступним кроком стала теорія космологічної інфляції — експоненційне роздмухування простору Всесвіту, що відбувалося за миті до Великого вибуху (у цій термінології Великий вибух — перехід від інфляційного до гарячого Всесвіту). Інфляція підготувала «правильні» початкові умови, що дали той придатний для життя Всесвіт, який ми спостерігаємо.

Вирішивши проблему початкових умов Великого вибуху і заодно проблему утворення галактик, космологічна інфляція знову впирається в проблему на самому своєму початку, але ця проблема не протиріччя, не вимога тонкого налаштування початкових умов, а невідома фізика. Сценарій космологічної інфляції не єдиний, але найбільш природний і популярний спосіб пояснення походження Всесвіту. Він пророкує, що кривизна Всесвіту мізерно мала, а її розмір величезний, а також кілька інших фактів, що підтвердилися спостереженнями.

Тепер про головні параметри Всесвіту. Перш за все, це її вміст з трьох основних складових різної природи.

• Звичайна матерія (всього близько 4-5% вмісту).
• Темна матерія, причому не якась, а холодна, що означає її тиск був зневажливо мало в ранньому Всесвіті, коли починали рости неоднорідності (близько 24-25% вмісту).
• Темна енергія. Цю субстанцію можна охарактеризувати як «вагомий вакуум». Можливо, вона — деяке слабке фізичне поле, що пронизує Всесвіт, постійне в просторі і часі. Її питома вага — 1 грам в кубі з руба 40 000 км (близько 70% вмісту Всесвіту).

Кількісна модель, що описує еволюцію Всесвіту від Великого вибуху до наших днів, називається ^ CDM, де «лямбда» відноситься до темної енергії (її дія ідентично так званому лямбда-члену в рівняннях Ейнштейна), а CDM — cold dark matter — до темної матерії.

Як працює кожна складова? Звичайна матерія лежить в основі різноманітності, складності і життя у Всесвіті. Темна матерія дозволила утворитися цій різноманітності, згустившись у грудки і створивши потенційні ями для майбутніх галактик, — без неї б вони не вийшли. Зараз вона продовжує утримувати галактики і їх скупчення від розльоту — безпосередньо видно за динамікою галактик і гравітаційним лінзуванням.

Темна енергія змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням. Такий же механізм працював і на стадії інфляції Всесвіту: аналог темної енергії, що роздмухував простір у перші миті, називається «інфлатон»; механізм прискореного розширення тоді і зараз той же самий, тільки масштаб зовсім інший.

Таким чином, у нас досить струнка і логічна картина пристрою Всесвіту, незважаючи на те, що ми не знаємо природи темної матерії і темної енергії. Тут підходить аналогія з якоюсь будівлею: ми розуміємо, як працюють його несучі конструкції, розуміємо призначення його частин, але не знаємо, з чого зроблені цегла і балки.

Якими даними підкріплюється ця картина?

Найголовніше — карта реліктового випромінювання, точніше її неоднорідностей, — відмінна карта, знята мікрохвильовими космічними телескопами WMAP і «Планк». З неї з хорошою точністю витягуються шість основних параметрів моделі Всесвіту, в тому числі внесок кожної з трьох перерахованих вище складових. «Мотузка», за яку витягується основна інформація, — ефект акустичних осциляцій: кутовий спектр неоднорідностей реліктового випромінювання йде піками і провалами, найвищий пік відповідає кутовому розміру плям близько градуса — такі плями найбільш контрастні (рис. 1).

Ріс. 1. Кутовий спектр температурних флуктуацій реліктового випромінювання. Червоні точки — дані «Планка». Зеленим показана теоретична крива з довірчим інтервалом, чутлива до всіх трьох видів вмісту Всесвіту і до її кривизни

Є і додаткові дані. Мабуть, найкорисніші з них належать до великомасштабної структури Всесвіту. У що вилився вищезгаданий пік на одному градусі? У масштаб близько 150 мегапарсек у сучасному Всесвіті. Чи немає на цьому масштабі якоїсь особливості? Виявляється, є: якщо побудувати функцію двокрапкової кореляції галактик з цифрових оглядів неба, то якраз на 150 мегапарсеках виходить пік — релікт звукових хвиль, що ходили в ранньому Всесвіті. Цей пік, званий BAO (baryon acoustic oscillation), дає незалежну зачіпку для уточнення параметрів моделі ^ CDM. Є й інші зачіпки, наприклад, пов’язані зі скупченнями галактик.

Отже, є модель, що добре узгоджується з прецизійними даними, добре вписується в сценарій походження Всесвіту (параметри, що випливають з моделі ^ CDM, відповідають передбаченням теорії інфляції) і підтверджується спостереженнями сучасного Всесвіту. Проте регулярно з’являються статті, які претендують на спростування цієї стрункої картини. Особливо багато статей присвячено альтернативам темної матерії.

Порівняно недавно в «ТрВ-Наука» була опублікована стаття Олега Верходанова [1], яка детально розбирає дві гучні роботи:[2], де ниспровергається темна енергія, і [3], де стверджується, що кривизна Всесвіту відмінна від нуля, що явно суперечило б теорії космологічної інфляції. Обидві роботи зроблені професіоналами, включаючи видатних. Що з ними не так? Корисно коротко повторити ті висновки, які зроблені в статті Верходанова, сфокусувавшись на найслабших моментах.

У роботі [2] отримано чудові спектри галактик, де спалахували стандартні наднові, це високопрофесійна частина роботи. Далі стверджується, що вони бачать чітку кореляцію яскравості наднових з віком галактик, в яких вони спалахнули. І стверджується, що саме ця кореляція може імітувати прискорене розширення Всесвіту, зареєстроване за надновими.

Відповідна кореляція зображена на рис. 2, пряма показує лінійну регресію точок. Стверджується, що якщо не враховувати світлі точки, то кореляція між віком галактики і яскравістю наднових значуща на рівні достовірності 99% (що, взагалі-то кажучи, мало). А чому викинуті світлі точки? Тому що це не ті (non-genuine) галактики раннього типу. Це вже називається «маніпуляція з вибіркою», в цьому випадку постають питання: «чи треба викидати?» і «де талію будемо робити?». Якщо не вибрати світлі кружки, то на рис. 2 взагалі не залишається значущої кореляції.

Рис, 2. Залежність яскравості наднових Ia від віку батьківської галактики з роботи [2]. Світлі гуртки виключені з аналізу через тип батьківської галактики. Пряма лінія — лінійна регресія точок, помилка нахилу — 50%

Це сумнівна частина роботи, але цілком у дусі сучасних традицій роботи з даними. Однак особливих претензій до статті немає, її назва і висновки адекватно відображають результат. Претензії є до подальшої PR-кампанії. Ціну цієї кампанії можна зрозуміти, порівнявши якість даних, представлених на рис. 1, що свідчать про темну енергію, і представлених на рис. 2, службовців основою її спростування. Крім того, темна енергія лише історично пов’язана зі надновими зірками. Набагато точніше і надійніше вона визначається зі спектру неоднорідностей реліктового випромінювання.

Наступний подвійний удар по космологічній парадигмі завдали дуже відомі космологи: Джо Сілк, Алесандро Мельхіорі і з ними Елеонора Ді Валентіно — перший автор у статтях. Перша з їх статей [3] намагається вирішити реально спостережуване протиріччя: так зване аномальне лінзування — піки спектру на рис. 1 при малих кутових масштабах (низькі піки праворуч) ширше, ніж виходить в моделі ^ CDM.

Уширення виникає за рахунок гравітаційного лінзування реліктового випромінювання, але проблема в тому, що ефект сильніший, ніж дають розрахунки. Щоб зняти цю проблему, автори заклали в підгонку даних позитивну кривизну Всесвіту. У них вийшло: дійсно, аномальне гравітаційне лінзування пояснено, але якою ціною?! Швидкість розширення Всесвіту (постійна Хаббла) у них перемістилася в абсолютно нереальну область — занадто мале значення, що суперечить всьому іншому, передбачення для згаданих вище баріонних акустичних осциляцій в сучасному Всесвіті теж виїхало не туди і, головне, «вирушила на звалище» космологічна інфляція, яка пророкує нульову кривизну (втім, є вітієваті моделі кривненс. Цей випадок добре розібраний Михайлом Івановим [4].

Наступна робота цих авторів опублікована в архіві електронних препринтів [5]. Сенс її простий: якщо взяти дані «Планка» і певні набори даних щодо вимірювання постійної Хаббла і по наднових, то знову виникають протиріччя. У цих протиріччях автори звинуватили ^ CDM і спробували її модифікувати.

Для цього вони до традиційних шести вільних параметрів додали ще чотири і спробували знайти їх оптимальні значення методом максимального правдоподібності. Знову вийшло, що набори даних з вимірювання постійної Хаббла віддають перевагу позитивній кривизні Всесвіту і вказують на те, що темна енергія насправді — фантомна енергія, яка в далекому майбутньому зробить Великий розрив — популярну журналістську страшилку. А якщо взяти певний набір даних по наднових, то до перерахованих вище особливостей додається ще й аномально мала постійна Хаббла.

Це цілком плідна діяльність, що не виходить за рамки науки, поки пропаганда залишається осторонь. Висновки в цих двох роботах абсолютно нормальні: різні дані суперечать один одному в рамках загальноприйнятої космологічної моделі, тому треба розбиратися — чи то дані косі, чи то має місце статистична флуктуація, чи то загальноприйнята модель потребує ревізії. Але вже на рівні заголовків статей з’являється тенденційність: «Космічна розбіжність: «Планк» і дані по світності виключають   CDM «[5]. А на рівні прес-релізів, інтерв’ю та засобів масової інформації починається повна розгнузданість, наприклад: «Темної енергії не існує? Нові свідчення, що спростовують прийняту модель пристрою Всесвіту «- такий заголовок дала компанія BBC (з приводу роботи [2]).

Протиріччя між різними типами даних — факт. Найбільш відомо протиріччя у вимірі постійної Хаббла: за даними колаборації «Планк» виходить H₀ = 67,66. 0,42 км/с/Мпк, за надновими H0 = 73,52. 1,62 км/с/Мпк — воно обговорюється в більш ранній статті Олега Верходанова [6]. Ті протиріччя, що розкопали Ді Валентіно, Мельхіорі і Сілк, — теж, швидше за все, реальні, хоч і не настільки значущі.

Чому я вважаю, що причину незв’язок треба в останню чергу шукати в моделі ^ CDM? Тому що це досить проста і природна модель, а пропоновані модифікації — свого роду надзвичайниця, що кривизна, що фантомна енергія. Нагадаємо відомий вислів, приписуваний Карлу Сагану: «Надзвичайні заяви вимагають надзвичайних свідчень». Всі розбіжності в даних не тільки не надзвичайні, але і недостатньо значущі — рівень достовірності розбіжностей, знайдених у перерахованих роботах, близько 0,99, що дуже мало для астрофізики. Досить трохи недооцінити помилки вимірювань, і ось вам дві дев’ятки. Крім того, всі дані можуть містити систематичні помилки, десь можуть спливти статистичні флуктуації — даних багато, параметрів багато, розподілів багато, флуктуації на рівні двох дев’яток і вище просто повинні бути. Насправді модель ^ CDM — не гранітний монумент і допускає модифікацію. Наприклад, замість холодної темної матерії може підійти суміш холодної і теплої, замість непорушної темної енергії може виявитися мінлива в часі і просторі «квінтесенція» — все це привід домагатися підвищення точності вимірювань.

Сенсаційні сплески навколо помірних протиріч у космологічних даних легко пояснити. Понад півстоліття в космології тривав період тріумфального натиску і штурму. І зовсім недавно він закінчився: «Планк» надав чудові дані, що підтвердили найбільш природні передбачення космологів. Начебто перемога. Але що робити тій армії наукових працівників, яка цю перемогу забезпечила? Вишукувати решту косяків і вилизувати процедури вимірювань? Але чи гідно це славних воїнів? Тому нас чекають нові сенсації, адже тяга приголомшувати основи незнищенна.

Література1

. Верходанов О. Про темну енергію замовте слово//ТрВ-Наука. 2020, № 2.2.

Kang Y., Lee Y.-W., Kim Y.-L., Chung C., Ree C. H. Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology // Astrophysical Journal, accepted.3.

Valentino E. Di, Melchiorri A., Silk J. Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology // Nature Astronomy (2019), arXiv: 1911.02087.4.

Іванов М. Астрономи довели, що Всесвіт замкнутий. Що? Ні !//N + 1, 8.11.2019.5

. Valentino E. Di, Melchiorri A., Silk J. Cosmic Discordance: Planck and luminosity distance data exclude LCDM.6

. Верходанов О. Чи є проблеми з узгодженням швидкості розширення Всесвіту ?//ТрВ-Наука. 2019, № 11.