Темная энергия

В мае Агентство NASA опубликовало доклад, авторы которого собрали и проанализировали наиболее полный на сегодняшний день перечень объектов, с помощью которых производятся расчеты постоянной Хаббла, которая определяет скорость расширения Вселенной. Согласно этим расчетам, постоянная равна 73 км/с на мегапарсек, плюс-минус 1 км/с/Мпк. Другими словами, галактика на расстоянии в один мегапарсек от Земли будет двигаться прочь со скоростью 73 км/с, и ее скорость будет увеличиваться на 73 км/с на каждый пройденный мегапарсек. Неопределенность составила всего 1,4%, что намного ниже, чем в других вычислениях.

Попытку преодолеть тот же кризис предприняли в 2022 году астрофизики из США. Они предположили, что решением проблемы несоответствия в определении постоянной Хаббла может быть ранняя темная энергия. Она могла составить около 10% всей энергии Вселенной до рекомбинации — эпохи вскоре после Большого взрыва, когда заряженные электроны и протоны образовали атомы водорода. А после нее ранняя темная энергия просто рассосалась, так что эта гипотеза не требует пересмотра всей последующей эволюции Вселенной.

Колоссальные по протяженности комические пустоты могут не только служить полигоном для изучения ускоренного расширения Вселенной, но и вызывать это явление. Такую гипотезу выдвинули ученые из Ирана. Возможно, эти пространства обладают собственной динамикой, и толкают галактики, заставляя их удаляться друг от друга несмотря на гравитационное притяжение между ними. Совокупный эффект всех пустот во Вселенной и приводит к ускорению ее расширения.  А сила вызванного ими расширения соответствует современным оценкам количества темной энергии.

Темная энергия может стать причиной не только расширения, но и сокращения Вселенной. Этот процесс может начаться уже через 100 млн лет. Модель, которую в прошлом году разработали исследователи из Принстона, показала, что со временем темная энергия ослабевает, ее антигравитационные свойства исчезают. Другими словами, это не константа, а динамическое поле, меняющееся со временем.

Важные результаты исследования темной энергии представили ученые из коллаборации Dark Energy Survey (DES), занимающейся изучением динамики расширения Вселенной. В ней авторы приходят к выводу, что природа гравитации оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной. Коллаборация измерила форму более сотни галактики, и все наблюдения совпадают с предсказаниями ОТО. Теория Эйнштейна работает, но тайна темной энергии пока остается не раскрытой.

Темная материя

Не меньшую загадку для астрофизиков все еще представляет темная материя. Ученые знают о ее существовании, но не могут наблюдать напрямую, поскольку она не участвует в электромагнитном взаимодействии.

Кандидатов на роль темной материи множество, и за минувший год их количество не уменьшилось. Физики из Великобритании, к примеру, поддержали своим исследованием аксионную гипотезу. Они представили математическое описание аксионов и описали их связь с фундаментальными симметриями Стандартной модели физики частиц. Более того, они показали, каким образом можно будет в ближайшем будущем обнаружить аксионы в лабораторных условиях.

Другая гипотеза темной материи родилась у международной команды физиков. Они предположили, что она может состоять из сверхлегких темных фотонов, обладающих — в отличие от обычных — массой. Сверхлегкий темный фотон с массой на 20 порядков меньше, чем у электрона, отличный кандидат на роль частицы темной материи, считают ученые. А его свойства хорошо объясняют данные гидродинамических расчетов.

Построить достоверную гипотезу гипотетической темной материи — еще полдела, требуется экспериментально подтвердить ее. Проблема в том, что она настолько слабо взаимодействует с обычной материей, что зафиксировать это непросто. Один из способов — обратить внимание на Солнце. Космогония допускает существование атомов, молекул и даже звезд, состоящих из темной материи. Ученые из Франции и США предположили, что могут существовать и астероиды темной материи, которые изредка будут сталкиваться со звездами, создавая ударную звуковую волну. В результате цепной реакции у звезды возникнет вспышка рентгеновского излучения, то есть свет можно будет увидеть с помощью телескопов. И всего недели наблюдений за Солнцем будет достаточно, чтобы заметить такую вспышку.

Если частицы темной материи обладают большой массой, они могут входить и в атмосферу Земли. И оставлять после себя отслеживаемые следы, похожие на хвосты метеоритов. Эта гипотеза, выдвинутая учеными из США, основывается на не самом популярном предположении, что темная материя состоит из относительно малого количества частиц относительно большой массы.

Любопытную идею высказала в 2022 году международная команда астрофизиков. У них возникла альтернативная гипотеза понимания работы гравитации в космическом масштабе. Дело в том, что новейшие наблюдения за движением небесных тел плохо укладываются в модели, сформулированные Ньютоном и скорректированные Эйнштейном. Международная команда астрофизиков исследовала четыре звездных скопления, и обнаружили в каждом из них странную закономерность. Она противоречит законам Ньютона, но хорошо укладывается в альтернативную гипотезу модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Если эта гипотеза подтвердится, то вопрос существования темной материи окажется закрыт.

Антиматерия

Не оставили в прошлом году своим вниманием ученые и другую космологическую загадку — проблему барионной асимметрии, или почему Вселенная в основном состоит из материи, а антиматерии в ней почти нет? В попытке приблизиться к решению этой загадки ученые из коллаборации BASE при ЦЕРН исследовали взаимодействие вещества и антивещества с гравитацией. Эксперимент показал, что вещество и антивещество реагируют на воздействие гравитации до определенной степени одинаково. Это значит, что слабый принцип взаимодействия Эйнштейна не нарушается.

Червоточины

К сожалению, обнаружить кротовые норы в пространстве-времени ученым и в прошлом году не удалось. Правда, ученые из Болгарии сделали смелое предположение, заявив, что эти гипотетические тоннели уже были найдены астрономами. Смоделировав устье кротовой норы, они поняли, что его сложно отличить от поляризованного света, который излучает вращающийся диск хаоса, окружающий черную дыру. Осталось придумать, как отличить среди уже собранных данных о черных дырах те, которые на самом деле ведут в отдаленные точки Вселенной.

Обнаружить кротовые норы сложно потому, что их свойства науке неизвестны и требуют изучения, а для этого их надо сперва найти. Ученые из США попытались разорвать этот замкнутый круг. Они разработали модель червоточины и запустили ее на квантовом компьютере, послав через тоннель квантовый бит информации. Кубит появился на выходе. Результат продемонстрировал не только эффект квантовой телепортации, но и стал реалистичной моделью переноса информации через червоточины (если они действительно существуют).