Космическая головоломка: Новое решение проблемы Хаббла?

Автор: Денис Аветисян

Исследователи предлагают альтернативу стандартной модели космологии, используя модифицированную теорию гравитации для объяснения расхождения в оценках скорости расширения Вселенной.

В рамках гравитационной модели <span class="katex-eq" data-katex-display="false">f(T,T_{\mathcal{G}}) </span> наблюдается эволюция параметров возмущений Хаббла <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\delta(t) </span> и материи <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\delta_{\mathrm{m}}(t) </span> во времени, демонстрирующая взаимосвязь между этими параметрами и динамикой космоса. — В рамках гравитационной модели $f(T,T_{\mathcal{G}})$ наблюдается эволюция параметров возмущений Хаббла $\delta(t)$ и материи $\delta_{\mathrm{m}}(t)$ во времени, демонстрирующая взаимосвязь между этими параметрами и динамикой космоса.

В статье представлены новые ограничения на космологические параметры в рамках теории f(T,T_G) на основе данных DESI BAO, Pantheon+ и измерений Хаббла.

Напряжённость между локальными измерениями постоянной Хаббла и предсказаниями стандартной космологической модели ΛCDM ставит под сомнение наше понимание эволюции Вселенной. В работе «Hubble Tension and Dark Energy in Teleparallel Gauss-Bonnet Gravity: New Constraints from DESI BAO, Pantheon$^+$ and Hubble Data» исследуется модифицированная теория гравитации f(T, T_G) как потенциальное решение этой проблемы, используя данные барионных акустических осцилляций DESI, сверхновых типа Ia Pantheon$^+$ и прямые измерения Хаббла. Полученные ограничения показывают, что данная модель, не требуя космологической постоянной, успешно воспроизводит наблюдаемое ускорение расширения Вселенной и частично смягчает напряжённость Хаббла. Может ли f(T, T_G) гравитация стать альтернативным, жизнеспособным путём к разрешению фундаментальных космологических парадоксов?

Напряжение во Вселенной: Кризис Постоянной Хаббла

Современные космологические модели, в частности, ΛCDM, предсказывают определенную скорость расширения Вселенной, основанную на предполагаемом составе — темной энергии, темной материи и обычной материи. Однако, эти теоретические предсказания все больше расходятся с данными, полученными в результате астрономических наблюдений. Несоответствие проявляется в расхождении между предсказанной и измеренной скоростью расширения, известной как постоянная Хаббла. Эта разница не является незначительной погрешностью измерений, а указывает на потенциальные недостатки в базовых предположениях, лежащих в основе ΛCDM модели. В частности, возможно, что наше понимание темной энергии или темной материи неполно, или что существуют новые физические явления, которые необходимо учитывать для точного описания эволюции Вселенной. Разрешение этого противоречия является ключевой задачей современной космологии, поскольку оно может потребовать пересмотра фундаментальных принципов, определяющих структуру и судьбу космоса.

Несоответствие в оценке постоянной Хаббла, известное как «кризис постоянной Хаббла», представляет собой серьезную проблему для современной космологической модели. Данное расхождение указывает на то, что наше понимание состава Вселенной и ее эволюции, возможно, неполно или требует пересмотра. Традиционная модель ΛCDM, описывающая Вселенную, состоящую из темной энергии, темной материи и обычной материи, предсказывает определенное значение постоянной Хаббла, отражающее скорость расширения Вселенной. Однако, наблюдения, полученные различными методами, демонстрируют существенное отклонение от этого предсказания, ставя под сомнение фундаментальные предположения о природе темной энергии и темной материи, а также о процессах, происходивших в ранней Вселенной. Разрешение этого противоречия имеет решающее значение для точного определения возраста Вселенной, ее будущего и понимания основных физических законов, управляющих ее эволюцией.

Современные измерения скорости расширения Вселенной, основанные на двух ключевых методах, демонстрируют заметное расхождение. Анализ взрывов сверхновых типа Ia, служащих своеобразными “стандартными свечами” для определения расстояний, дает значение постоянной Хаббла, равное приблизительно 69.144−0.547+0.450 $км/с/Мпк$ . Однако, данные, полученные при исследовании космического микроволнового фона — реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва — указывают на более низкое значение этой фундаментальной константы. Такое несоответствие, известное как напряженность постоянной Хаббла, представляет собой серьезную проблему для современной космологии, требуя пересмотра существующих моделей и, возможно, открытия новых физических явлений, влияющих на эволюцию Вселенной.

Разрешение противоречия в оценке постоянной Хаббла имеет первостепенное значение для точного определения возраста Вселенной, ее будущей судьбы и природы темной энергии. Несоответствие между различными методами измерения указывает на пробелы в текущих космологических моделях, требуя пересмотра фундаментальных представлений о составе и эволюции Вселенной. Более точное определение постоянной Хаббла позволит уточнить модели расширения Вселенной, что, в свою очередь, повлияет на понимание плотности энергии темной энергии и ее влияния на ускоренное расширение. Неразрешенное противоречие ставит под вопрос надежность стандартной космологической модели $ΛCDM$ и подталкивает к поиску новых физических явлений или модификаций существующих теорий гравитации, способных объяснить наблюдаемые расхождения и дать более полное представление о динамике Вселенной.

Различия в оценках постоянной Хаббла <span class="katex-eq" data-katex-display="false">H_0</span> между ранними и поздними измерениями указывают на несоответствия в рамках <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Lambda CDM</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">f(T,T_{\mathcal{G}})</span> моделей. — Различия в оценках постоянной Хаббла $H_0$ между ранними и поздними измерениями указывают на несоответствия в рамках $\Lambda CDM$ и $f(T,T_{\mathcal{G}})$ моделей.

За Гранью ΛCDM: Исследуя Модифицированную Гравитацию

Теории модифицированной гравитации представляют собой альтернативный подход к объяснению наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной, в отличие от стандартной $ΛCDM$ модели, которая постулирует существование тёмной энергии. Вместо введения новых компонентов с экзотическими свойствами, эти теории изменяют сами законы гравитации, описываемые общей теорией относительности Эйнштейна. Это достигается путем добавления новых членов к уравнениям Эйнштейна или путем изменения лагранжиана гравитационного поля, что позволяет объяснить наблюдаемые космологические явления без необходимости введения тёмной энергии. Такой подход позволяет исследовать альтернативные объяснения, сохраняя при этом математическую согласованность и физическую правдоподобность.

Теория fTTG Gravity представляет собой расширение общей теории относительности, в которой гравитационное взаимодействие модифицируется за счет включения дополнительных членов, зависящих от торсии и инварианта Гаусса-Бонне. В отличие от стандартной космологической модели ΛCDM, где для объяснения ускоренного расширения Вселенной вводятся темная энергия и темная материя, fTTG Gravity изменяет сами уравнения гравитации. Математически, действие в данной теории включает в себя не только скалярную кривизну, как в общей теории относительности, но и функции от торсии $T$ и инварианта Гаусса-Бонне $T_G$ . Это позволяет получить динамическое уравнение состояния для темной энергии и потенциально решить проблему расхождения в оценках постоянной Хаббла, предлагая альтернативу, сопоставимую по статистическим показателям с ΛCDM.

Теория fTTG-гравитации предполагает динамический параметр состояния $w$ темной энергии, в отличие от космологической модели ΛCDM, где этот параметр считается постоянным. Это позволяет теории fTTG потенциально решить проблему расхождения в оценке постоянной Хаббла, наблюдаемого в локальных измерениях и в данных космического микроволнового фона. Анализ данных CC+PPS показывает, что модель f(T,T_G) имеет значение AIC, равное -17.070, что указывает на статистически сравнимую или даже более предпочтительную подгонку к данным по сравнению со стандартной ΛCDM моделью, что делает ее жизнеспособной альтернативой для объяснения наблюдаемой экспансии Вселенной.

Для подтверждения корректности и предсказательной силы модели f(T, T_G) необходима строгая проверка на основе наблюдательных данных. Анализ данных CC+PPS показал, что значение информационного критерия Акаике (AIC) для данной модели составляет -17.070. Это значение указывает на статистически более предпочтительное соответствие наблюдаемым данным по сравнению со стандартной ΛCDM моделью, что делает f(T, T_G) перспективной альтернативой для объяснения космологических наблюдений.

Анализ комбинированных данных показывает, что параметр уравнения состояния тёмной энергии отклоняется от космологической постоянной, демонстрируя динамическое поведение.

Наблюдательные Проверки и Методологическая Строгость

Космологические наблюдения, включающие измерения барионных акустических осцилляций (BAO), крупномасштабной структуры Вселенной и расширения Вселенной, являются критически важными для проверки гравитационной теории f(T,T_G). Измерения BAO, основанные на анализе корреляционной функции галактик, позволяют установить стандартную линейку для определения расстояний до галактик на различных красных смещениях. Исследование крупномасштабной структуры, посредством анализа распределения галактик и скоплений галактик, предоставляет информацию о гравитационном росте структур. Наблюдения за расширением Вселенной, полученные с помощью сверхновых типа Ia и других стандартных свечей, позволяют определить зависимость красного смещения от расстояния и, следовательно, оценить параметры космологической модели f(T,T_G). Сопоставление результатов, полученных на основе этих наблюдений, с теоретическими предсказаниями f(T,T_G) позволяет проверить состоятельность модели и оценить ее способность объяснять наблюдаемые космологические данные.

В рамках теории f(T,T_G) для моделирования эволюции флуктуаций плотности используется теория возмущений. Этот подход позволяет анализировать отклонения от однородной космологической модели, рассматривая малые отклонения от среднего значения плотности. Решения уравнений поля, полученные в теории f(T,T_G), модифицируют рост структур по сравнению со стандартной $ΛCDM$ моделью. Анализ этих модификаций проводится путем решения линейных уравнений возмущений, описывающих эволюцию плотности во времени и пространстве. Полученные решения используются для прогнозирования наблюдаемых свойств крупномасштабной структуры Вселенной, таких как функция корреляции и спектр мощности, что позволяет сравнивать теоретические предсказания с данными наблюдений.

Для оценки параметров модели fTTG и проверки соответствия теоретических предсказаний наблюдательным данным используется метод Монте-Карло Марковских цепей (MCMC). Этот статистический метод позволяет построить апостериорное распределение вероятностей параметров модели, учитывая априорные знания и функцию правдоподобия, вычисленную на основе наблюдательных данных, таких как барионные акустические осцилляции и крупномасштабная структура Вселенной. Использование MCMC обеспечивает надежный статистический вывод, позволяя оценить неопределенности параметров и провести статистическую проверку гипотез, сравнивая различные космологические модели и оценивая качество их соответствия данным. В процессе анализа, MCMC генерирует последовательность случайных выборок из пространства параметров, что позволяет точно вычислить интегралы, необходимые для оценки апостериорного распределения и, следовательно, получить статистически обоснованные результаты.

Сравнение результатов, полученных в рамках теории fTTG Gravity, с результатами модели ΛCDM позволяет количественно оценить способность fTTG Gravity разрешить расхождение в оценках постоянной Хаббла. Анализ данных CC+PPS показал, что модель $f(T,T_G)$ имеет значение BIC равное -6.155, что свидетельствует о статистически лучшем соответствии данным по сравнению с ΛCDM, хотя разница в показателях BIC и AIC незначительна. Данный результат указывает на потенциальную способность модели fTTG Gravity к более точному описанию космологических данных в контексте проблемы постоянной Хаббла.

Комбинированные данные позволяют исследовать поведение параметра замедления, что важно для понимания динамики расширения Вселенной.

Влияние на Космологию и Перспективы Дальнейших Исследований

В случае подтверждения, гравитация fTTG не только разрешит несоответствие, касающееся постоянной Хаббла, но и предоставит более полную и точную картину состава и эволюции Вселенной. Текущие космологические модели, основанные на ΛCDM, требуют введения темной энергии и темной материи для объяснения наблюдаемого расширения Вселенной и формирования крупномасштабной структуры. Гравитация fTTG предлагает альтернативный подход, модифицируя закон всемирного тяготения таким образом, чтобы объяснить ускоренное расширение без необходимости введения значительных количеств этих загадочных компонентов. Это означает, что понимание фундаментальных сил, формирующих космос, может быть пересмотрено, а существующие представления о преобладающей массе и энергии во Вселенной — существенно скорректированы. Более точное описание эволюции Вселенной, полученное на основе этой теории, позволит с большей уверенностью реконструировать её прошлое и предсказывать будущее развитие.

Новая теоретическая модель гравитации, fTTG, потенциально способна кардинально изменить существующее понимание тёмной энергии и тёмной материи. В рамках этой концепции, наблюдаемые эффекты, которые в настоящее время приписываются этим загадочным компонентам Вселенной, могут оказаться не проявлением неизвестных субстанций, а следствием модификации самой гравитации на космологических масштабах. Это открывает возможность, что тёмная энергия и тёмная материя, как отдельные сущности, могут оказаться лишь артефактами неполного описания гравитационных взаимодействий. Исследования в этом направлении позволяют предположить, что истинная природа этих явлений может быть раскрыта через более глубокое понимание фундаментальных принципов гравитации, что приведет к созданию более точной и полной картины эволюции Вселенной и её состава.

Дальнейшие исследования направлены на усовершенствование данной модели гравитации, включающее интеграцию расширенных наборов наблюдательных данных, полученных из различных источников. Особое внимание уделяется проверке предсказаний модели относительно переходного красного смещения, которое, согласно расчетам, должно находиться в пределах 0.834-0.846 — значение, согласующееся с существующими наблюдательными ограничениями. Анализ данных, полученных с помощью будущих космических телескопов и наземных обсерваторий, позволит уточнить параметры модели и проверить ее предсказания в отношении других космологических явлений, таких как формирование крупномасштабной структуры Вселенной и эволюция галактик. Такой подход позволит не только подтвердить или опровергнуть новую теорию гравитации, но и получить более глубокое понимание природы темной энергии и темной материи, а также уточнить космологическую модель Вселенной.

Стремление к разработке модифицированных теорий гравитации знаменует собой важный шаг на пути к более глубокому и всеобъемлющему пониманию Вселенной. Традиционная общая теория относительности Эйнштейна, несмотря на свою успешность, сталкивается с трудностями при объяснении некоторых наблюдаемых явлений, таких как ускоренное расширение Вселенной и аномалии в космическом микроволновом фоне. Разработка альтернативных гравитационных моделей, подобных fTTG гравитации, позволяет учёным исследовать новые физические принципы и потенциально раскрыть скрытые аспекты гравитации, которые могут объяснить эти загадки. Такой подход не только способствует решению конкретных проблем в космологии, но и открывает возможности для пересмотра фундаментальных представлений о пространстве, времени и природе гравитационного взаимодействия, что в конечном итоге способствует построению более полной и точной картины Вселенной.

Исследование, представленное в данной работе, углубляется в альтернативные модели гравитации, стремясь разрешить напряженность Хаббла, которая ставит под сомнение стандартную космологическую модель ΛCDM. Авторы используют теорию f(T,T_G) как потенциальный инструмент для согласования теоретических предсказаний с наблюдаемыми данными, полученными от DESI BAO, Pantheon$^+$ и данных Хаббла. Как заметил Людвиг Витгенштейн: «Предел моего языка — предел моего мира». Подобно тому, как язык ограничивает наше понимание мира, существующие космологические модели могут ограничивать наше понимание Вселенной. Поиск новых теоретических рамок, таких как модифицированная гравитация, расширяет границы нашего познания и открывает новые возможности для описания реальности.

Что впереди?

Представленная работа, подобно любой попытке зафиксировать ускользающее мгновение развертывания Вселенной, оставляет больше вопросов, чем ответов. Теория f(T,T_G), хотя и демонстрирует жизнеспособность в смягчении расхождений Хаббла, остается лишь одной из многочисленных хроник, стремящихся описать жизнь космоса. Логирование параметров темной энергии, даже столь детальное, как в данном исследовании, не гарантирует понимания ее сущности — лишь более точное определение координат в многомерном пространстве возможностей.

Дальнейшие исследования неизбежно потребуют более глубокого погружения в природу гравитационных волнений и их потенциальную роль в качестве независимого инструмента для проверки модифицированных теорий гравитации. Особенно важна задача преодоления ограничений, связанных с допущениями о гомогенности и изотропности Вселенной — ведь любые упрощения являются лишь приближениями к сложной реальности. Будущие наблюдения, такие как те, что планируются с помощью Euclid и Roman Space Telescope, предоставят более детальные данные о барионных акустических осцилляциях и крупномасштабной структуре, позволяя уточнить параметры моделей и проверить их предсказательную силу.

В конечном счете, поиск решения проблемы Хаббла — это не просто астрофизическая задача, но и философский вызов. Попытки понять природу темной энергии и темной материи — это, по сути, попытки понять место Вселенной во времени и пространстве, и осознать, что все системы стареют, вопрос лишь в том, делают ли они это достойно.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.10127.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-16 08:51