Небольшой размер выборки? Нет базовой теории? Конфликты со всеми другими результатами? Он ставит все галочки.
В космическом масштабе нет ничего особенного в нашем месте во Вселенной. Куда бы мы ни посмотрели, не только законы физики одинаковы, но и сама Вселенная везде имеет одни и те же крупномасштабные свойства. Во всех направлениях и во всех местах количество галактик, степень их скопления, скорость космического расширения и целый ряд других измеряемых свойств практически одинаковы. В самом большом масштабе Вселенная действительно кажется везде одинаковой.
Но есть много разных независимых способов проверить идею о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях: то, что астрофизики называют «изотропией». В новом исследовании, опубликованном в апрельском выпуске журнала Astronomy & Astrophysics за 2020 год, к этой загадке применяются новая техника, анализ и набор данных, и авторы утверждают, что скорость расширения Вселенной различается в зависимости от того, в каком направлении мы смотрим. Если это правда, это интересный результат, но есть много причин для скептицизма. Вот почему.
Существует одна всеобъемлющая теория, которая не только управляет Вселенной, но и обеспечивает основу для понимания того, что должно существовать в самых больших масштабах: инфляционный горячий Большой взрыв. Вкратце это гласит, что:
- был период космической инфляции, который произошел до Большого Взрыва,
- предоставление семенных флуктуаций, из которых вырастет вся наша космическая структура,
- а затем инфляция закончилась, что привело к горячему Большому Взрыву и Вселенной, богатой материей и излучением,
- , который был одинаковым везде, примерно до 1-30 000,
- который затем расширился, остыл и притянулся,
- ведет к обширной космической паутине, которую мы наблюдаем сегодня.
В целом это означает, что на самых больших масштабах Вселенная должна быть изотропной (одинаковой во всех направлениях) и однородной (одинаковой во всех положениях), но на меньших масштабах должны начать проявляться локальные вариации. доминировать.
Эти местные вариации определенно реальны. Когда мы смотрим на то, как галактики движутся по Вселенной, мы обнаруживаем, что они в среднем подчиняются стандартному хаббловскому расширению, особенно на очень больших расстояниях: скорость удаления каждой галактики прямо пропорциональна тому, насколько удалена галактика. Но у каждой галактики также есть особая скорость, наложенная на общее расширение, которая может вызвать дополнительные движения до нескольких тысяч километров в секунду: 1-2% скорости света.
Мы видим это повсюду, куда ни глянем, от движений отдельных галактик в малых масштабах до плавных движений скоплений галактик в промежуточных масштабах и до движения нашей локальной группы. Но самое главное (и с высочайшей точностью), мы видим собственное движение относительно Космического Микроволнового Фона, который сам должен быть совершенно изотропным, вплоть до эффекта нашего собственного движения в пространстве.
Было бы огромным сюрпризом, если бы Вселенная не была изотропной в больших масштабах, особенно если бы ее анизотропия превышала определенную амплитуду. Но мы не можем просто взять один или два набора наблюдений (например, Космический микроволновый фон и крупномасштабную структуру космической паутины) и объявить, что Вселенная изотропна. Мы должны измерять Вселенную всеми возможными способами, чтобы определить, какие уровни анизотропии существуют во всех масштабах.
Но это требует, чтобы мы делали это точно, всесторонне и недвусмысленно. Плохая калибровка, непроверенное или непроверенное предположение или любое количество систематических ошибок могут привести вас к выводу, что вы обнаружили анизотропию там, где ее раньше не было. Новое исследование, продвигаемое рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА, наводит на мысль о крупномасштабной анизотропии, но не совсем достигает уровня убедительной находки.
Новое исследование работало следующим образом: они взяли большое количество рентгеновских скоплений - больших скоплений галактик, испускающих огромное количество рентгеновских лучей - и применили так называемую эмпирическую корреляцию. Эмпирическая корреляция - это когда мы видим, что две разные вещи, которые мы можем измерить или вычислить об объекте, кажутся связанными, но мы физически не понимаем, почему они связаны.
В этом случае они использовали корреляцию между собственной яркостью рентгеновского света (т.е., светимость) и наблюдаемая температура рентгеновских лучей. Это относительно новая корреляция, и она кажется относительно хорошей при всех температурах, несмотря на большой разброс. Однако, как вы можете видеть на графике ниже (взятом из статьи), сразу же возникает тревожный аспект. Сама корреляция выглядит по-разному в зависимости от того, какая обсерватория фактически измеряет рентгеновские лучи.
Всякий раз, когда у вас есть эмпирическая корреляция, также важно убедиться, что она не чувствительна и к другим параметрам: параметрам, которые могут вызвать изменение этой корреляции. Конечно, связь между светимостью и температурой существует, но получите ли вы такую же корреляцию, если посмотрите на рентгеновские скопления с разной массой, разной дисперсией скоростей, разным количеством тяжелых элементов и т. д.?
Это важные вопросы, потому что ответ должен быть «нет» на каждый из них. Но, как совершенно ясно демонстрируют авторы, вы получаете огромные различия в параметрах, лежащих в основе этой корреляции, если вы смотрите на рентгеновские скопления с разным количеством тяжелых элементов: то, что астрономы называют металличностью. В идеальном мире эмпирическая корреляция была бы одинаковой независимо от изменения этих параметров. Но ясно, что это совсем не так.
Это не обязательно нарушение условий сделки, но это очень веские и веские причины для осторожности. Если мы собираемся сделать предположение, что эта взаимосвязь универсальна и что мы можем использовать ее в качестве исследования лежащей в основе космологии, мы должны признать, что будем искать очень тонкие эффекты. В конце концов, мы не просто пытаемся провести усреднение по всему небу и всем обнаруженным нами рентгеновским скоплениям, но мы ищем крошечные различия между одним направлением и другим.
Любая разница, которая существует между этими популяциями, которые мы находим в одной области неба и в другой области неба, может исказить наши результаты, особенно если мы предполагаем единственную, универсальную связь между нашими двумя величины (светимость и температура). Авторы этой статьи отмечают, что предубеждения необходимо изучать (и показывать, что хотя бы некоторые из них присутствуют), а затем использовать единую универсальную зависимость при выполнении их анализа. Если эти рентгеновские кластеры не все подчиняются этой предполагаемой взаимосвязи в том виде, в котором ее предлагают авторы, этот ход мыслей неверен.
Еще одна проблема использования галактических скоплений заключается в том, что это очень большие объекты, и их не так уж много в любом заданном объеме Вселенной. Хотя это исследование действительно простирается на несколько миллиардов световых лет, больше, чем большинство подобных исследований, направленных на изучение космической анизотропии, оно состоит всего из нескольких сотен галактических скоплений. Это не чья-то вина; это предел того, что могут измерить современные приборы и технологии.
Они обнаружили, что общая скорость расширения кажется выше в одном конкретном месте неба, показанном светлым цветом (ниже), чем в противоположном участке неба, показанном в том же изображение в темных тонах. Авторы также отмечают, что это относительно тонкий эффект, который не соответствует необходимому «золотому стандарту» 5 сигм для обнаружения, и что если вы попытаетесь исключить какие-либо данные из-за опасений относительно их надежности, результат становится все менее и менее значимым.
Наконец, последний результат, который они представляют, заключается в использовании всех рентгеновских кластеров во всех наборах данных, даже тех, которые не были получены с помощью Chandra или XMM-Newton, что обязательно включает гораздо менее надежные данные. Они показывают, что эффект сохраняется и даже усиливается, чего можно было бы ожидать, если бы это был реальный эффект. Но это также то, что вы ожидаете, если есть ошибка, систематическая ошибка или неправильно примененный или откалиброванный образец.
Это должно быть большим беспокойством. В последнее время были всевозможные грандиозные заявления о том, что космология находится в кризисе, но большинство из них разваливались даже при беглом рассмотрении именно по этой причине. Заявления о том, что темной энергии не существует, основывались на неправильных калибровках нашего движения во Вселенной; утверждения о том, что постоянная тонкой структуры менялась во времени или в пространстве, были опровергнуты улучшенным анализом; утверждения об анизотропии красных смещений квазаров развалились, когда появились данные Sloan Digital Sky Survey.
Самое большое беспокойство должно вызывать то, что что-то искажает эти данные еще до того, как они попадут в поле зрения наших телескопов. В частности, тяжелые элементы на линии прямой видимости любого скопления галактик будут приглушать наблюдаемый нами рентгеновский сигнал. Авторы объясняют это, измеряя плотность газообразного водорода вдоль линии прямой видимости, а затем делая вывод о количестве тяжелых элементов, которые должны быть там для моделирования эффектов. Это разумный подход, хотя такой вывод нелегко сделать с большой точностью.
Но они, похоже, не моделируют другой эффект, который должен влиять на количество наблюдаемых нами рентгеновских лучей: пыль на переднем плане. Пыль поглощает рентгеновские лучи, ее можно найти там, где нет нейтрального газообразного водорода, и она определенно неравномерно распределена по небу. Если пыль смоделирована неправильно - или, что еще хуже, совсем нет - , они могут прийти к неверным выводам о расширении Вселенной из-за ее воздействия на входящий свет.
В высшей степени возможно - и чрезвычайно интересно и даже революционно, если это правда - что наши предположения о величине и масштабе анизотропии во Вселенной ошибочны. Если так, то это будут данные о крупномасштабной структуре Вселенной, выходящей далеко за пределы нашего локального уголка космоса, демонстрирующие это. Рентгеновские кластеры, подобные обсуждаемым и анализируемым здесь, могут быть первым надежным тестом, обнаруживающим это, если это так. Но это новое исследование - лишь ключ к разгадке в этом направлении, против которого выдвигается множество разумных возражений. Размер выборки небольшой. Используемое соотношение является новым, и его универсальность сомнительна. Эффекты переднего плана недостаточно смоделированы. И сами данные могли бы быть намного лучше.
Хотя авторы рассматривают предстоящие данные eROSITA как следующий шаг на этом пути, им следует смотреть дальше. Настоящая рентгеновская обсерватория следующего поколения, такая как Athena ЕКА или Lynx НАСА, - это инструмент, который действительно необходим для сбора решающих данных, наряду с дополнительными глубокими оптическими исследованиями с большим полем зрения, которые мы ожидаем от Евклида ЕКА, WFIRST НАСА, и LSST обсерватории Веры Рубин. Расширение Вселенной может быть неодинаково во всех направлениях, но для доказательства этого потребуется гораздо больше, чем это исследование.