Кажется, мы неправильно считали возраст Вселенной. Телескоп за 10 миллиардов долларов нашел лишнее

Долгие десятилетия космологи считали, что у науки есть стройная и достаточно цельная картина устройства Вселенной. Роль такого каркаса играет стандартная космологическая модель ΛCDM, которая объединяет общую теорию относительности, Большой взрыв, расширение космоса, тёмную материю и тёмную энергию в одну схему эволюции мироздания. Однако свежие наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» вновь обострили старый спор: хватает ли прежней модели для объяснения новых данных или космологии пора готовиться к серьёзному пересмотру базовых представлений.

Сама стандартная модель складывалась не сразу. В начале XX века Альберт Эйнштейн сначала сформулировал специальную теорию относительности, а затем, в 1915 году, расширил работу до общей теории относительности, где гравитация выступает не как обычная сила, а как искривление пространства-времени под действием массы. Уже через несколько лет астрономические наблюдения подтвердили расчёты Эйнштейна: свет действительно отклонялся в поле тяготения Солнца. Позже общая теория относительности помогла описать чёрные дыры, гравитационные линзы, гравитационные волны и даже само расширение Вселенной.

Дальше на сцену вышел главный космический парадокс первой половины века. Уравнения Эйнштейна указывали, что Вселенная не должна оставаться неподвижной. Сам Эйнштейн долго не принимал такой вывод и ввёл космологическую постоянную, чтобы удержать космос в состоянии равновесия. Перелом наступил после работ Жоржа Леметра и наблюдений Эдвина Хаббла. Астрономы увидели, что соседние галактики удаляются от Млечного Пути, причём более далёкие объекты уходят быстрее. Так родился закон Хаббла-Леметра, а вместе с ним и представление о расширяющейся Вселенной.

Из идеи расширения выросла теория Большого взрыва. Согласно такому сценарию, ранняя Вселенная находилась в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, а затем начала быстро увеличиваться в размерах. У конкурирующей модели стационарной Вселенной логика была другой: космос расширяется, но средняя плотность сохраняется благодаря постоянному рождению вещества, а начала и конца у мироздания нет. Спор тянулся десятилетиями, пока в 1960-х годах исследователи не обнаружили реликтовое микроволновое излучение. Находка идеально вписалась в картину Большого взрыва и дала науке один из важнейших аргументов в пользу горячего раннего космоса. Сегодня возраст Вселенной оценивают примерно в 13,8 млрд лет.

Затем космология столкнулась с новой проблемой. В 1960-х и 1970-х годах астрономы получили возможность детально изучать далёкие галактики и заметили странность в их вращении. Измерения Веры Рубин показали, что звёздные системы вращаются слишком быстро для массы, которую удаётся увидеть в обычном свете. Либо общая теория относительности давала сбой, либо в галактиках скрывается огромный объём невидимого вещества. Большинство учёных выбрало второй вариант, так появилась тёмная материя. По современным оценкам, на тёмную материю приходится около 85% всей массы Вселенной. Наиболее популярная версия описывает тёмную материю как «холодную», то есть состоящую из медленных и сравнительно низкоэнергетических частиц.

Казалось, картина становится всё полнее, но в 1990-х годах космический телескоп Hubble принёс ещё один сюрприз. Астрономы рассчитывали точнее измерить скорость расширения Вселенной и ожидали увидеть более-менее ровную динамику. Наблюдения показали совсем другой результат: в далёком прошлом расширение шло одним темпом, а позже процесс начал ускоряться. Космос не просто растёт, а разгоняется. Для объяснения такого эффекта пришлось вернуть в расчёты идею космологической постоянной, но уже в новом виде. Учёные назвали источник ускорения тёмной энергией. С тех пор тёмная энергия стала ещё одной опорой стандартной модели.

Именно на таком фундаменте держится ΛCDM: Большой взрыв, общая теория относительности, расширение Вселенной, тёмная материя и тёмная энергия. Долгое время конструкция выглядела убедительно, потому что хорошо описывала крупномасштабную структуру космоса и многие наблюдаемые эффекты. Проблема пришла вместе с новыми приборами. Hubble, а затем «Джеймс Уэбб» открыли доступ к гораздо более ранним эпохам истории Вселенной и показали объекты, которые в ряде случаев выглядят слишком массивными, слишком яркими или слишком зрелыми для своего возраста. На таком фоне всё чаще звучит вопрос: не упускает ли стандартная модель важную часть физики раннего космоса?

Пока речь не обязательно идёт о полном крахе прежней картины. Научная история космологии уже не раз показывала, что каждая новая серия наблюдений сначала создаёт напряжение, а затем заставляет уточнять старые формулы и искать недостающие параметры. Но роль телескопа «Джеймс Уэбб» в нынешнем споре трудно переоценить. Новые данные заставляют учёных заново проверять скорость формирования первых галактик, свойства тёмной материи, поведение тёмной энергии и точность существующих оценок расширения Вселенной.

Главный вывод выглядит так: стандартная модель космологии по-прежнему остаётся рабочей основой современной науки, но уверенность в полной завершённости конструкции заметно ослабла. «Джеймс Уэбб» не разрушил всю систему взглядов, однако «Джеймс Уэбб» заставил космологов внимательнее пересмотреть старые допущения. Возможно, будущие наблюдения просто подправят знакомую схему. Возможно, астрономия стоит на пороге более крупной теоретической перестройки. В любом случае спор вокруг ΛCDM уже превратился в один из самых интересных научных сюжетов последних лет, потому что спор касается не деталей, а самой логики рождения и развития Вселенной.