Математики из Калифорнийского университета в Дэвисе поставили под сомнение устойчивость стандартной модели расширения Вселенной. Их расчёты показывают, что ускоренное расширение может следовать непосредственно из уравнений Эйнштейна и не требовать введения тёмной энергии. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society A.
Учёные изучали уравнения Эйнштейна—Эйлера, объединяющие общую теорию относительности с математическим описанием движения жидкостей. Эти уравнения применяют для анализа процессов от формирования галактик и чёрных дыр до эволюции Вселенной. Особое внимание исследователи уделили пространствам Фридмана, лежащим в основе общепринятых моделей космического расширения.
По словам руководителя работы, заслуженного почётного профессора математики Калифорнийского университета в Дэвисе Блейка Темпла, такие решения неустойчивы как на малых, так и на больших масштабах в условиях Большого взрыва. Он сравнил их с карандашом, поставленным вертикально на кончик: силы уравновешены, но даже слабое движение воздуха приводит к падению. «Неустойчивые решения в физике и науке считаются нефизическими. Вы никогда не увидите их в природе», — сказал Темпл.
Исследователи пришли к выводу, что стандартная модель ΛCDM, или модель с космологической постоянной и холодной тёмной материей, может быть нестабильной относительно радиальных возмущений на больших расстояниях. «Мы доказываем, что, подобно статической модели Эйнштейна, все пространства Фридмана неустойчивы к радиальным возмущениям на больших масштабах», — отметил учёный. По его словам, это ставит под вопрос способность модели ΛCDM оставаться устойчивым решением уравнений общей теории относительности независимо от наличия тёмной энергии.
Работа выросла из попытки объяснить ускорение расширения Вселенной возможной ударной волной. «Сначала мы предположили, что Вселенная, возможно, расширяется из-за ударной волны, а необычное ускорение представляет собой расширяющуюся область за этой волной», — рассказал Темпл. Затем учёные обнаружили семейство самоподобных решений для радиационной эпохи Большого взрыва и использовали их, чтобы представить стандартную космологическую модель как неподвижное состояние системы, после чего проверили, будут ли небольшие отклонения затухать или усиливаться.
Согласно полученной картине, вблизи центра симметрии Вселенная может вести себя так, как предсказывает модель Фридмана, а на большом удалении демонстрировать ускорение, отклоняющееся от неё. Такой подход также затрагивает коперниканский принцип, согласно которому положение наблюдателя не должно быть особенным. «И модель ΛCDM, и сферически симметричное пространство создают особое место, в котором мы должны находиться, чтобы модель была физически правдоподобной. Если этот принцип исключает одну из них, он должен исключать и другую», — заявил Темпл. Исследование финансировали Инженерно-физический совет по научным исследованиям Великобритании и программа SQuaREs Американского института математики.