Современная космология предполагает, что гравитационное взаимодействие темной и обычной материи приводит к тому, что галактики притягиваются друг к другу, формируя огромные космические структуры, в то время как пространство между ними постоянно расширяется. Недавно астрофизики провели детальное изучение крупных скоплений галактик, чтобы наблюдать этот процесс в реальности. Полученные данные не соответствуют существующим теоретическим моделям.
В течение последних десятилетий астрофизики основываются на стандартной космологической модели. Это теоретическое представление о структуре и эволюции Вселенной, которое долгое время оставалось наиболее подходящим объяснением имеющихся данных. Согласно этой модели, около 70 процентов массы-энергии Вселенной приходится на так называемую темную энергию, 20-25 процентов — на темную материю, а обычное вещество, включающее галактики, звезды, планеты и другие объекты, составляет всего четыре процента.
В качестве напоминания, темная энергия – это гипотетическая, пока еще не изученная сила, благодаря которой пространство Вселенной расширяется, причем с постоянно увеличивающейся скоростью. Темная материя – это предполагаемое вещество, которое взаимодействует с известной нам материей исключительно посредством гравитации: оно оказывает притяжение своей значительной массой и не проявляет себя иным образом. Таким образом, можно говорить о наличии двух противоположных сил: гравитации, которая объединяет вещество в скопления, и некоей силы, подобной антигравитации, которая расширяет пространство-время между этими скоплениями.
В этой модели описывается эволюция и трансформация этих процессов с течением времени. Согласно ей, под воздействием темной материи сначала сформировались звезды и галактики, которые впоследствии начали объединяться в более крупные образования, в конечном итоге образовав грандиозные нити, напоминающие космическую «паутину». Ученые объясняют, что именно так должна функционировать холодная темная материя – некие медленно движущиеся гипотетические частицы.
Ранее существовала альтернативная точка зрения, предполагающая, что темная материя обладает «горячими» свойствами, и, согласно ей, формирование вещества во Вселенной должно было протекать иначе: вначале образовывались сверхскопления, которые впоследствии распадались на более мелкие структуры. Однако данная гипотеза была отвергнута, и в настоящее время усилия ученых сосредоточены на поиске частиц, составляющих холодную темную материю.
Продолжает вызывать вопросы расширение Вселенной, обусловленное, по всей видимости, действием темной энергии. Суть в том, что скорость (точнее, ускорение) этого расширения была измерена двумя различными методами, что привело к получению двух разных результатов. По данным о яркости цефеид – переменных звезд – и вспышкам сверхновых установлено, что при расстоянии между двумя объектами, составляющем 3,26 миллиона световых лет (один мегапарсек), они удаляются друг от друга со скоростью 73 километра в секунду, при увеличении дистанции вдвое эта скорость также возрастает вдвое и подобным образом.
Аналогичные измерения проводились на основе древнего реликтового излучения. Это крайне слабое электромагнитное «эхо», оставшееся от Большого взрыва. Согласно этим данным, скорость расширения составляет не 73, а всего 68 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния. Это наводит на мысль, что на начальных этапах развития Вселенной она расширялась иным образом, чем в настоящее время. Отклонение это получило название «напряженность Хаббла». По одной из версий, оно связано с изменением свойств темной энергии с течением времени, возможно, вследствие ее взаимодействия с темной материей. В результате возникла гипотеза о динамической темной энергии.
Недавно американские астрофизики решили провести проверку на основе крупных галактических структур, находящихся на относительно небольшом расстоянии от Земли. Их выводы представлены в статье, опубликованной для Physical Review Letters (доступна на сервере препринтов Корнеллского университета). Ученым удалось определить, как выбранные многочисленные галактики движутся не только по отношению к нам, но и по отношению друг к другу, то есть как растут и развиваются их скопления.
Исследователи отмечают, что рост крупных галактических структур происходит с задержкой, что не соответствует динамическому воздействию темной энергии. Таким образом, напряженность Хаббла не находит объяснения, по крайней мере, с использованием концепции изменяющейся темной энергии, и проблема в стандартной космологической модели остается нерешенной. Астрофизики полагают, что для решения этой глобальной загадки может потребоваться принципиально новая теория.