Вселенная существует без темной энергии? Математики бросают вызов стандартной космологии

В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the Royal Society A, ученые представили математические доказательства: нестабильность в уравнениях Эйнштейна-Эйлера предполагает, что существующая модель расширяющейся Вселенной может быть нежизнеспособной. 

Уравнения Эйнштейна-Эйлера объединяют общую теорию относительности и гидродинамику и широко используются для моделирования галактик, черных дыр и расширения космоса. Полученные результаты напрямую ставят под сомнение модель лямбда-холодной темной материи — ΛCDM, Лямбда-CDM, — ведущую космологическую концепцию Большого взрыва.

Авторы исследования сравнили стандартную космологическую модель с карандашом, балансирующим на кончике. Когда карандаш стоит вертикально, все силы находятся в равновесии, поэтому это и есть «решение уравнения». Но он неустойчив. Любой ветерок — и он упадет.

Расчеты команды математиков показывают, что модели пространства-времени Фридмана, то есть класс космологических моделей, которые описывают Вселенную в рамках общей теории относительности и используются для описания расширения космоса, нестабильны как в малых, так и в больших масштабах вблизи Большого взрыва. То есть они являются самыми нестабильными «решениями» из всех. И эта неустойчивость всех моделей пространства-времени Фридмана к ускоренному расширению предполагает более простое и естественное объяснение ускорения развития Вселенной, чем темная энергия.

Концепция темной энергии была предложена почти 30 лет назад как способ объяснить, почему расширение Вселенной, по-видимому, ускоряется.

Эта концепция восходит к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна 1915 года. Для создания статической Вселенной Эйнштейн добавил антигравитационную часть уравнения, известную как космологическая постоянная. После того как Эдвин Хаббл в 1929 году обнаружил, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой», поскольку без нее его уравнения предсказывали бы расширение.

Однако в 1990-х годах космологическая постоянная была вновь рассмотрена и связана с темной энергией как возможное объяснение ускоренного расширения Вселенной. Современные космологические модели построены на концепции «вселенной Фридмана», в которой материя расширяется, оставаясь при этом равномерно распределенной в пространстве в любой данный момент времени.

Авторы нового исследования посчитали, что в этой картине есть математические неточности, что побудило их исследовать другие возможные причины космического ускорения.

Первоначальная идея заключалась в том, что, возможно, Вселенная расширялась из-за ударной волны, а аномальное ускорение представляло собой расширяющуюся волну, стоящую за этой ударной волной. В эпоху Большого взрыва существовало семейство самоподобных решений, которые могли бы моделировать эту расширяющуюся волну.

Самоподобные уравнения описывают системы, которые сохраняют один и тот же общий рисунок или структуру в разных масштабах. В исследовании ученые использовали самоподобную версию уравнений Эйнштейна, разработанную в более ранних работах, чтобы представить стандартную космологическую модель в качестве точки покоя уравнений. Такой подход позволил полностью проанализировать устойчивость модели и, в более широком смысле, устойчивость всех моделей пространства-времени Фридмана в эпоху доминирования материи во время Большого взрыва.

Математики доказали, что, подобно статической модели Эйнштейна, модели пространства-времена Фридмана неустойчивы к радиальным возмущениям на больших масштабах длины. Это исключает модель лямбда-холодной темной материи как жизнеспособное стабильное решение уравнений Эйнштейна общей теории относительности, с темной энергией или без нее.

Исследователи пришли к выводу, что ускоренное расширение Вселенной естественным образом вытекает из уравнений Эйнштейна-Эйлера и не требует ни космологической постоянной, ни темной энергии. Их выводы также ставят под сомнение коперниканский принцип, то есть идею о том, что Земля не занимает особого места во Вселенной.