Форма Вселенной — не та тема, о которой мы думаем каждый день, но новое исследование намекает: космос может быть «перекошенным», то есть не одинаковым во всех направлениях. Это важно потому, что самая популярная сегодня картина устройства Вселенной — стандартная космологическая модель (ΛCDM) — держится на предположении, что в среднем на больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, то есть выглядит примерно одинаково куда ни посмотри.
Авторы работы разбирают одну из самых принципиальных проблем для этой картины — так называемую аномалию космического диполя. По их выводу, она не просто добавляет очередную «странность» к списку наблюдений, а ставит под сомнение сам фундамент подхода, на котором построено современное описание эволюции и структуры Вселенной.
Отправная точка здесь — реликтовое излучение, или космический микроволновой фон (CMB), «эхо» Большого взрыва. Оно удивительно ровное: температура по небу отличается всего на доли процента, в среднем на уровне одной стотысячной. Именно поэтому космологам удобно описывать Вселенную максимально симметричной моделью пространства-времени в рамках общей теории относительности — так называемым описанием Фридмана—Леметра—Робертсона—Уокера (FLRW). Оно делает уравнения Эйнштейна решаемыми в практическом смысле и лежит в основе ΛCDM.
Однако за последние десятилетия накопились «напряжения» — расхождения между наборами данных, которые в идеале должны были сходиться. Самое известное из них — «напряжение Хаббла», когда скорость расширения Вселенной, вычисленная по ранней Вселенной, не совпадает с оценками по более близким, «поздним» наблюдениям. Но, как подчёркивают авторы, аномалия космического диполя ещё более фундаментальна — потому что она бьёт по самой идее того, что Вселенная на больших масштабах одинакова во всех направлениях.
В микроволновом фоне есть заметная особенность: дипольная анизотропия. Это крупнейшее различие температур на небе — одна сторона чуть «теплее», другая чуть «холоднее», примерно на одну тысячную. В рамках стандартной модели это обычно объясняют просто: мы движемся относительно «системы отсчёта» реликтового излучения, и из-за эффекта Доплера оно кажется немного горячее в направлении движения и холоднее в противоположном.
Ключевой вопрос: если эта картина верна и Вселенная в среднем действительно симметрична, то похожий диполь должен проявляться и в распределении материи — например, в том, как по небу распределены очень далёкие радио-галактики и квазары. В 1984 году астрономы Джордж Эллис и Джон Болдуин предложили проверку: сравнить диполь микроволнового фона с диполем в распределении далёких источников. Важно брать именно очень далёкие объекты, чтобы не спутать эффект с локальными «скоплениями» рядом с нами, которые могут дать ложный сигнал.
По идее, при верном предположении FLRW направление и величина «материального диполя» должны напрямую вытекать из того, что мы видим в микроволновом фоне. Совпадение укрепило бы стандартную модель. Несовпадение означало бы, что проблема глубже — не в деталях ΛCDM, а в самом симметричном описании Вселенной.
Авторы утверждают, что именно это и происходит: Вселенная, судя по данным, «проваливает» тест Эллиса—Болдуина. Направления диполей в целом согласуются, но величины — нет: анизотропия в распределении материи оказывается сильнее, чем должна быть, если всё объясняется одним лишь нашим движением и стандартной симметричной картиной. При этом похожий результат получается в разных наблюдательных подходах — как у наземных радиотелескопов, так и у спутников, которые смотрят в среднем инфракрасном диапазоне. Поскольку источники систематических ошибок у таких наблюдений сильно различаются, авторы считают этот повторяющийся вывод тревожным сигналом, а не случайной погрешностью.
Почему об этой аномалии говорят меньше, чем о «напряжении Хаббла»? По версии исследователей, причина в том, что её трудно «подлатать» косметическими поправками. Если расхождение реально, то недостаточно подстроить параметры ΛCDM — придётся пересматривать саму основу, то есть FLRW-описание, на котором держится привычная картина Вселенной.
В ближайшие годы космология получит лавину новых данных от миссий и телескопов следующего поколения — в тексте упоминаются спутники Euclid и SPHEREx, а также обсерватории Vera Rubin и радиоинтерферометр Square Kilometre Array. Авторы допускают, что именно этот поток наблюдений поможет либо окончательно развеять аномалию, либо — если она подтвердится — подтолкнуть физиков к созданию новой космологической модели. В качестве одного из инструментов они отдельно упоминают методы машинного обучения, которые всё чаще применяют для анализа огромных наборов астрономических данных.