Космология после «Планка». Стагнация или развитие?

Продолжение беседы Бориса Штерна с Дмитрием Горбуновым, членом-корреспондентом РАН, гл. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН.

— В продолжение разговора о вашей с Рубаковым книге… ¹ Она охватывает всю космологию, но с ее выхода прошло пятнадцать лет, даже чуть больше. С тех пор появились данные «Планка», основательно уточняющие историю Вселенной. И такое впечатление, что с тех пор началась какая-то стагнация: не было никаких прорывов, хотя и случаются неуверенные указания на то, что где-то там к нам стучится в дверь Новая Физика… Скажем, «хаббловская» напряженность, или что-то еще… Каков ваш комментарий по этому поводу? Действительно ли стагнация имеет сейчас место?

— Отчасти с этим было связано то, что работа над следующими изданиями книги затормозились. Действительно, возник «хаббловский» кризис… Есть две цепочки наблюдений, измерений и интерпретаций, приводящие к разным числам, характеризующим темп расширения Вселенной в современную эпоху. Они отличаются не так сильно, 74±1 и 68±0,5 — такие примерно числа. Отличие вроде бы совсем небольшое, но с точки зрения статистики это свыше пяти стандартных отклонений, что традиционно интерпретируется как указание на открытие. Открытие чего? Люди не понимают. С одной стороны, главная компонента, которая в основном определяет этот темп расширения Вселенной, — это странная темная энергия. Она беспокоила людей всё время. И мне представляется интересным такое развитие событий: вдруг это всё на самом деле указывает на то, что мы начинаем понимать, как устроена темная энергия, — не просто плотность энергии, но субстанция куда более хитрая. И пока мы ее вид не можем угадать…

— Можно ли написать уравнение состояния?

— Для темной энергии уравнение состояния — это давление равняется минус плотность энергии.

— Да, вакуум. А если не вакуум?

— Если мы вакуум подставляем, и у нас не сходится, то, может быть, мы начинаем видеть, что это какая-то сложная компонента, так? Но она действительно сложная, потому что за эти вот десять лет, даже больше, что длится «хаббловский» кризис, постепенно усиливаясь, мы не смогли придумать модель, согласующуюся со всеми наблюдениями. Пусть даже феноменологическую: пусть наша Вселенная расширяется таким-то образом за счет какой-то странной материи… Вот такое-то у нее уравнение состояния (не задумываемся пока, какой микроскопической, фундаментальной физикой это обеспечивается), и тогда мы бы наблюдения объяснили. И на этом пути мы потерпели неудачу. Существуют модели, объясняющие тот или иной набор космологических данных, но при этом на другие данные закрывают глаза. А всю вместе совокупность космологических данных мы не научились описывать — нет такой модели. Количество разных данных увеличивается, и экспериментаторы претендуют на то, что их последующие данные более чистые, их больше по количеству, да и они попросту лучше старых. Соответственно, мы должны, вроде бы, уточнять космологические параметры, но у нас не получается. Мы говорим, что раз параметры не можем уточнить, то, наверное, это означает, что в дело замешана какая-то новая компонента — в Стандартную космологическую модель нужно добавить новый ингредиент. И у нас не получается придумать такие ингредиенты, которые бы эти данные сводили бы все вместе. И такое положение дел не позволяет нам двинуться дальше. В том числе в развитии других направлений.

Например, появился замечательный телескоп «Планк», с очень высокой точностью измерил анизотропию реликтового излучения на небе вплоть до мультиполей 2,5 тысячи. Надеялись, что «Планк» позволит залезть и достаточно точно почувствовать массу нейтрино для одной из иерархий (там есть два ее варианта). Но нет — из-за всех нестыковок у нас как было ограничение на сумму масс нейтрино, полученное более десяти лет назад по результатам (сейчас «древнего») спутника WMAP, так оно и осталось. На этом месте мы и топчемся, потому что не понимаем, что происходит. Добавление массы нейтрино не позволяет решить эту проблему. Добавить массу нейтрино и какую-то темную энергию с хитрым уравнением состояния тоже не получится. Мы этот вопрос пока не решили, но загадка хотя бы подогревает умы.

Какие-то надежды, может быть, кроются в том, что, в частности, сейчас в полет отправились новые инструменты, вроде «Евклида», — это будет очень симпатичная трехмерная карта мира, распределение структур. По ней можно получить очень интересную информацию, что-то уточнить, снять какие-то вырождения между космологическими параметрами. Ведь бывает так, что из конкретной наблюдаемой величины мы не можем извлечь космологические параметры по-отдельности: например, определяется сумма двух параметров — именно от суммы зависит наблюдаемая, а значение каждого параметра определить не удается. Тут, может быть, «Евклид» нам поможет. Эти новые инструменты обещают высокую точность, что потребовало существенного развития техники пертурбативных вычислений космологической эволюции неоднородностей в распределении материи — роста космологических структур. Ученые стали залезать при описании процессов в ранней Вселенной в ситуации, когда описание этих процессов требует более сложной математики — отчасти той математики, что мы используем для описания процессов квантовой теории поля, довольно сложной теории возмущений. На малых пространственных масштабах неоднородности уже довольно большие, что похоже на ситуацию в квантовой хромодинамике, где константа, по которой осуществляется пертурбативное разложение, оказывается большой на масштабах размера протона. Может быть, использование этих более точных теоретических формул с новыми экспериментальными данными позволит как-то разрешить «хаббловский» кризис.

— То есть все эти проблемы возникают на уровне сильного нелинейного роста первичных возмущений?

— Верно. Это будет распределение маленьких галактик: вы хотите залезть в эту область, потому что область больших расстояний с линейной системой мы с вами уже в принципе изучили и умеем неплохо описывать. Но опять: возьмем, например, барионные акустические осцилляции, они же сахаровские осцилляции. Их замечательно измеряли с использованием положения пика, где и на каких пространственных масштабах он сегодня находится. Грубо говоря, на 150 мегапарсеках, что отвечает размеру звукового горизонта в первичной плазме эпохи рекомбинации; сегодня этот пространственный масштаб дорос до такой величины. Эти 150 мегапарсек измеряли, но это же только положение пика в распределении галактик по среднему расстоянию между ними. А высоту пика как наблюдаемую не использовали. Новое теоретическое описание позволяет использовать и ее, эту новую дополнительную информацию. Развитие науки здесь четко прослеживается: у вас есть новый эксперимент, претендующий на определенную точность. Теоретик должен с такой точностью получить предсказания, что непросто… Другой вариант развития: у вас три типа наблюдаемых величин, собираете их все вместе — и как-то не сходится. Вы говорите: давайте придумаем какую-то новую наблюдаемую. Но ее еще и нужно аккуратно описать и хорошо измерить.

— Я пытался залезть в эту кухню развития неоднородностей. Там черт ногу сломит. Там, например, всё сильно зависит от того, как охлаждается газ, который сжимается. То, насколько хорошо он охлаждается, зависит от объема молекулярного водорода — у него есть спектральная линия, свободно покидающая облако. Считать как следует это не умеют до сих пор.

— Да, для некоторых наблюдаемых существенно влияние обычного вещества. Но при описании роста неоднородностей существенна темная материя, про которую мы ничего не знаем, считая ее в минимальном варианте участвующей лишь в гравитационных взаимодействиях. В конкретных моделях темной материи иногда бывает более сложная динамика, в том числе влияющая на рост структур. Это замечательно: предоставляется дополнительная возможность проверить конкретную модель, сравнить ее предсказания с наблюдениями, но ведь для этого нужно эти предсказания получить!

— Впечатление такое, что стагнация должна все-таки кончиться, что появится много данных относительно возраста Вселенной в первые сотни миллионов лет, которые что-то прояснят.

— По этой эпохе есть еще данные по линии водорода 21 см, которые связывают с появлением первых звезд ². Да, если говорить про такую кондовую темную материю, которая ни с чем не взаимодействует, то мы ничего такого от нее не ожидаем — всё можно предсказать. Но мы же не можем из первых принципов определить, когда образовались первые звезды, хотя здесь, казалось бы, всё просто: давайте возьмем водород и гелий, ведь и то, и то мы можем поизучать. Первые звезды из чего? — Из водорода и гелия. — Ну давайте, скажите, когда они появились! — Не получается. Люди пытались вводить и взаимодействие темной материи с барионами, и еще что-то такое… Я так понимаю, что как только появляется какое-то противоречие, те, кто занимаются Новой Физикой, хотят, чтобы это было проявление их дисциплины, их «бизнеса». Те же, кто занимается аккуратной астрофизикой, говорят: подождите, модель была такая, а сейчас мы поаккуратнее учтем, какие эффекты здесь есть, и вот, может быть, дела обстоят так в рамках Старой Физики. Ну что сделать? Физика — наука экспериментальная…

— Экспериментальная, но тема на самом деле интересная. Будем надеяться, что «Джеймс Уэбб» с «Евклидом» принесут нам немало интересных данных.

— С другой стороны, наблюдается определенная стагнация в физике элементарных частиц. Возьмем проблему нестыковки предсказаний с измерениями аномального магнитного момента мюона, так называемый g-2. Сколько лет проблема держится? Если говорить про экспериментальные данные, то, с одной стороны, они уточняются, и в этом году снова было уменьшение ошибки, уточнение центрального значения. А с другой стороны, теоретические вычисления некоторой части вклада в g-2 во многом основаны на анализе экспериментальных данных, которые сдвинулись. Люди в Новосибирске получили новые результаты на электронно-позитронном коллайдере, и теоретические оценки тогда сдвигаются так, что новое значение g-2 лучше согласуется с новыми измерениями. Проблема ушла?

— Сейчас попутный вопрос: g-2 — это чисто теория возмущений?

— Если с точки зрения теории, то да, это теория возмущения, но она делится на две части. В одной у вас электродинамика. Теорию возмущения здесь, в принципе, вы строите хорошо. Но на каком-то порядке вы остановились: нельзя вычислить все поправки. Но есть другая часть. Она связана с тем, что, поскольку у вас мюон с массой 100 МэВ, а масштаб сильного взаимодействия — 200–300 МэВ, что не так далеко, то есть вклад, связанный с сильными взаимодействиями. Тут имеются определенные тонкости, и, в частности, попытка, используя некоторые соотношения, связать непонятный адронный вклад с некой величиной, наблюдаемой на коллайдере. Эту наблюдаемую величину оттуда перенести сюда — и использовать для оценки. Эту наблюдаемую перемерили, причем на той же машине, на которой измерения проводились, ну, грубо говоря, десять лет назад, когда на выходе получилось другое число. Новый результат лучше согласуется с измерениями g-2, но вот как к этому относиться? Ученые и пытаются проанализировать, понять, правильно это или неправильно. Если всё согласуется, то никакой проблемы нет. А если есть? Тогда придумайте модельку Новой Физики, которая объясняет одно и не противоречит другому (как всегда — когда что-то не согласуется — значит, нужна какая-то Новая Физика) — и это некоторое искусство.

¹ Начало см. в ТрВ-Наука № 390 от 01.10.2023, с. 1–2. trv-science.ru/gorbunov-stern/

² trv-science.ru/konec-temnyx-vekov/

«Как только темную материю найдут, глава о ней сколлапсирует страниц в десять»