Крупное астрофизическое исследование показало, что темная энергия может ослабевать.

Целое поколение физиков называло тёмную энергию, пронизывающую Вселенную, «космологической постоянной». Теперь самая большая на сегодняшний день карта космоса намекает на то, что эта таинственная энергия менялась на протяжении миллиардов лет. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Физики обнаружили тонкие признаки того, что таинственная «темная» энергия, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее и быстрее, со временем может немного ослабевать. Это открытие способно поколебать основы физики.

«Если это правда, то это будет первая реальная подсказка о природе темной энергии за последние 25 лет», — сказал Адам Рисс, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, получивший Нобелевскую премию за соавторство в открытии темной энергии в 1998 году.

Новые данные получены от группы исследователей, работающей с прибором для спектроскопии темной энергии (DESI), которая сегодня представила карту космоса беспрецедентного масштаба, а также множество измерений, полученных на основе этой карты. Для многих исследователей главным событием стал график, показывающий, что три различных комбинации наблюдений указывают на то, что влияние темной энергии могло ослабеть за миллионы лет.

«Вполне возможно, что мы наблюдаем признаки эволюции темной энергии», — сказал Диллон Браут из Бостонского университета, член команды DESI.

Исследователи, как участвующие в коллаборации, так и не участвующие в ней, подчеркивают, что имеющихся доказательств недостаточно, чтобы заявлять об открытии. Наблюдения свидетельствуют об эрозии темной энергии со средней статистической значимостью, которая легко может исчезнуть при получении дополнительных данных. Однако исследователи также отмечают, что три различных набора наблюдений указывают в одном и том же интригующем направлении, которое противоречит стандартному представлению о темной энергии как о внутренней энергии вакуума пространства — величине, которую Альберт Эйнштейн назвал «космологической постоянной» из-за ее неизменности.

«Это захватывающе, — сказал Сеш Надатхур, космолог из Университета Портсмута, работавший над анализом DESI. — Если темная энергия не является космологической постоянной, это будет огромным открытием».

Возникновение космологической постоянной

В 1998 году группа Рисса вместе с другой группой астрономов во главе с Солом Перлмуттером использовала свет десятков далеких умирающих звезд, называемых сверхновыми, чтобы осветить структуру космоса. Они обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется с возрастом.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая материя или энергия могут приводить к расширению космоса. Но по мере расширения пространства все известные виды материи и энергии становятся менее плотными, поскольку они распространяются в более просторной Вселенной. По мере уменьшения их плотности расширение Вселенной должно замедляться, а не ускоряться.

Однако одно вещество, которое не разбавляется при расширении пространства, — это само пространство. Если вакуум обладает собственной энергией, то по мере создания большего вакуума (и, следовательно, большего количества энергии) расширение будет ускоряться, как и наблюдали команды Рисса и Перлмуттера. Их открытие ускоряющегося расширения Вселенной выявило наличие крошечного количества энергии, связанной с вакуумом пространства, — темной энергии.

По стечению обстоятельств, Эйнштейн рассматривал подобную возможность, разрабатывая общую теорию относительности. Чтобы предотвратить коллапс Вселенной из-за разбавления материи, он предположил, что всё пространство может быть наполнено фиксированным количеством дополнительной энергии, обозначаемой символом Λ, называемым лямбда, и именуемым космологической постоянной. Интуиция Эйнштейна оказалась ошибочной, поскольку Вселенная не находится в равновесии так, как он себе представлял. Но после открытия в 1998 году того факта, что пространство, по-видимому, выталкивает всё наружу, его космологическая постоянная вернулась и заняла своё место в основе современной стандартной модели космологии — набора взаимосвязанных компонентов, названных «моделью лямбда-КДМ».

«Всё просто. Это всего лишь одно число. С ним можно связать какую-то историю. Именно поэтому считается, что оно постоянно», — сказала Лисия Верде, теоретический космолог и участница коллаборации DESI.

Теперь новое поколение космологов, использующих телескопы нового поколения, возможно, улавливает первые признаки более сложной и многогранной истории.

Составление карты небес

Один из таких телескопов расположен на горе Китт-Пик в Аризоне. Команда DESI оснастила четырехметровое зеркало телескопа 5000 роботизированными волокнами, которые автоматически поворачиваются в сторону небесных объектов. Автоматизация обеспечивает молниеносный сбор данных по сравнению с предыдущим флагманским обзором галактик, Слоанским цифровым обзором неба (SDSS), который полагался на аналогичные волокна, которые приходилось вручную вставлять в металлические пластины с рисунком. В одну из недавних рекордных ночей DESI удалось зарегистрировать местоположение почти 200 000 галактик.

С мая 2021 года по июнь 2022 года роботизированные волокна поглощали фотоны, поступающие на Землю из разных эпох космической истории. Исследователи DESI с тех пор преобразовали эти данные в самую подробную космическую карту из когда-либо созданных. На ней отмечены точные местоположения около 6 миллионов галактик в том виде, в котором они существовали примерно от 2 до 12 миллиардов лет назад (из 13,8 миллиардов лет истории Вселенной). «DESI — это действительно великолепный эксперимент, дающий потрясающие данные», — сказал Рисс.

Секрет точности картографирования DESI заключается в его способности собирать спектры галактик — насыщенные данными графики, регистрирующие интенсивность каждого оттенка света. Спектр показывает, как быстро галактика удаляется от нас и, следовательно, в какой эпохе космической истории мы ее наблюдаем (чем быстрее галактика удаляется, тем она старше). Это позволяет определить положение галактик относительно друг друга, но для калибровки карты с правильными расстояниями относительно Земли — необходимой информацией для полной реконструкции космической истории — требуется нечто другое.

Для коллаборации DESI этим чем-то стало лоскутное одеяло из застывших волн плотности, оставшихся от ранней Вселенной. В течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва космос представлял собой горячий, густой суп, состоящий в основном из материи и света. Гравитация притягивала материю внутрь, а свет выталкивал её наружу, и эта борьба порождала волны плотности, распространяющиеся наружу от разрозненных первоначальных плотных участков в супе. После того как Вселенная остыла и образовались атомы, она стала прозрачной. Свет хлынул наружу, оставляя волны — называемые барионными акустическими колебаниями (БАО) — застывшими на месте.

В результате образовалась серия перекрывающихся сфер с немного более плотными оболочками, размером примерно в миллиард световых лет — расстояние, которое базальные атомные орбиты успели преодолеть до замерзания. Эти плотные оболочки впоследствии образовали несколько больше галактик, чем другие области, и когда исследователи DESI составляют карты миллионов галактик, они могут обнаружить следы этих сфер. Более близкие сферы кажутся больше, чем далекие, но поскольку исследователи DESI знают, что все сферы имеют одинаковый размер, они могут определить, как далеко от Земли находятся галактики на самом деле, и соответствующим образом изменить размер карты.

Чтобы избежать неосознанного влияния на результаты, исследователи провели «слепой» анализ, используя измерения, которые были случайным образом перемешаны, чтобы скрыть любые физические закономерности. Затем в декабре прошлого года участники коллаборации встретились на Гавайях, чтобы расшифровать результаты и выяснить, какую карту наблюдали роботизированные волокна Китт-Пик.

Надатхур, наблюдавший за трансляцией в прямом эфире через Zoom из своего дома в Великобритании, испытал волнение, когда карта была показана, потому что она показалась ему немного странной. «Если у вас был достаточный опыт работы с данными BAO, вы могли понять, что потребуется нечто немного отличающееся от стандартной модели», — сказал Надатхур. «Я знал, что Lambda CDM — это не совсем полная картина».

В течение следующей недели, пока исследователи изучали новый набор данных, анализировали его и сопоставляли с другими крупными космологическими наборами данных, они обнаружили источник странностей и обменялись множеством сообщений в Slack.

«Один из моих коллег опубликовал график, демонстрирующий это ограничение темной энергии, и не написал ни слова. Только график и смайлик с взрывающейся головой», — сказал Надатхур.

Данные за дни

Цель проекта DESI — определить, как расширялась Вселенная с течением времени, наблюдая за различными типами галактик, которые появлялись в течение семи эпох космологической истории. Затем исследователи оценивают, насколько хорошо эти семь снимков соответствуют эволюции, предсказанной теорией Lambda CDM. Они также рассматривают, насколько хорошо согласуются другие теории, например, теории, допускающие изменение темной энергии между снимками.

На основе данных DESI за первый год, модель Lambda CDM почти так же хорошо соответствует снимкам, как и модель переменной темной материи. Только когда коллаборация объединяет карту DESI с другими снимками — светом, известным как космическое микроволновое фоновое излучение, и серией из трех недавних карт сверхновых, — две теории начинают расходиться.

Они обнаружили, что результаты отличались от предсказаний Lambda CDM на 2,5, 3,5 или 3,9 «сигма», в зависимости от того, какой из трех каталогов сверхновых они включили. Представьте, что вы подбрасываете монету 100 раз. Предсказание для честной монеты — 50 орлов и 50 решек. Если выпадет 60 орлов, это на две сигма дальше от среднего значения; вероятность того, что это произойдет случайно (в отличие от подтасовки монеты), составляет 1 к 20. Если выпадет 75 орлов — что имеет вероятность 1 к 2 миллиона случайных выпадений — это результат в пять сигма, золотой стандарт для заявления об открытии в физике. Значения сигма, полученные DESI, находятся где-то посередине; они могут быть редкими статистическими флуктуациями или реальным свидетельством того, что темная энергия изменяется.

Хотя исследователи находят эти цифры заманчивыми, они также предостерегают от чрезмерной интерпретации завышенных значений. Вселенная гораздо сложнее, чем монета, и статистическая значимость зависит от тонких допущений в анализе данных.

Более веская причина для энтузиазма заключается в том, что все три каталога сверхновых — охватывающие относительно независимые популяции сверхновых — указывают на то, что темная энергия изменяется одинаково: ее мощность уменьшается, или, как говорят космологи, «оттаивает». «Когда мы заменяем все эти взаимодополняющие наборы данных, все они, как правило, сходятся к этому слегка отрицательному числу», — сказал Браут. Если бы это расхождение было случайным, наборы данных с большей вероятностью указывали бы в разных направлениях.

Джошуа Фриман, космолог из Чикагского университета и участник коллаборации DESI, не работавший над анализом данных, сказал, что был бы рад увидеть падение Lambda CDM. Как теоретик, он предлагал теории оттаивания темной энергии в 1990-х годах, а совсем недавно стал соучредителем проекта Dark Energy Survey — проекта, который с 2013 по 2019 год искал отклонения от Стандартной модели и создал один из трех каталогов сверхновых, использованных DESI. Но он также помнит, как в прошлом обжигался на исчезающих космологических аномалиях. «Моя реакция на это — заинтригованность», — пошутил Фриман, — «но пока ошибки не уменьшатся, я не буду писать свою речь при получении Нобелевской премии».

«С точки зрения статистики, это расхождение может исчезнуть», — сказал Браут, комментируя расхождение с моделью Lambda CDM. «Сейчас мы прилагаем все усилия, чтобы выяснить, произойдет ли это».

Завершив на этой неделе третий год наблюдений, исследователи DESI ожидают, что их следующая карта будет содержать почти вдвое больше галактик, чем карта, представленная сегодня. Теперь, когда у них больше опыта в анализе BAO, они планируют быстро опубликовать обновленную трехлетнюю карту. Затем последует пятилетняя карта, содержащая 40 миллионов галактик.

Помимо DESI, в ближайшие годы в эксплуатацию будет введен целый ряд новых инструментов, включая 8,4-метровую обсерваторию Веры Рубин в Чили, космический телескоп Нэнси Грейс Роман НАСА и миссию «Евклид» Европейского космического агентства.

«За последние 25 лет наши данные в области космологии совершили огромный скачок вперед, и вот-вот произойдет еще больший скачок», — сказал Фриман.

По мере накопления новых наблюдений исследователи могут и дальше обнаруживать, что тёмная энергия остаётся такой же стабильной, как и на протяжении целого поколения. Или же, если тенденция сохранится в направлении, указанном результатами DESI, это может всё изменить.

Новая физика

Если тёмная энергия ослабевает, она не может быть космологической постоянной. Вместо этого, это может быть поле того же типа, которое, по мнению многих космологов, вызвало момент экспоненциального расширения во время рождения Вселенной. Такое «скалярное поле» может заполнять пространство количеством энергии, которое сначала кажется постоянным — как космологическая постоянная — но со временем начинает уменьшаться.

«Идея о том, что темная энергия изменчива, вполне естественна», — сказал Пол Штайнхардт, космолог из Принстонского университета. В противном случае, продолжил он, «это была бы единственная известная нам форма энергии, которая абсолютно постоянна в пространстве и времени».

Но эта изменчивость привела бы к глубокому сдвигу парадигмы: мы бы не жили в вакууме, который определяется как состояние Вселенной с наименьшей энергией. Вместо этого мы бы обитали в энергетически насыщенном состоянии, которое медленно приближается к истинному вакууму. «Мы привыкли думать, что живем в вакууме, — сказал Штейнхардт, — но никто нам этого не обещал».

Судьба космоса будет зависеть от того, насколько быстро будет уменьшаться число, ранее известное как космологическая постоянная, и насколько далеко оно может упасть. Если оно достигнет нуля, космическое ускорение прекратится. Если же оно опустится достаточно низко, расширение пространства перейдет в медленное сжатие — своего рода обратный процесс, необходимый для циклических теорий космологии, таких как те, которые разработал Штейнхардт.

Теоретики струн придерживаются схожей точки зрения. Предполагая, что всё сводится к вибрации струн, они могут создавать вселенные с разным числом измерений и всевозможными экзотическими частицами и силами. Но им нелегко построить вселенную, которая постоянно поддерживает стабильную положительную энергию, как это, по-видимому, происходит в нашей вселенной. Вместо этого, согласно теории струн, энергия должна либо плавно падать в течение миллиардов лет, либо резко обрываться до нуля или отрицательного значения. «По сути, все теоретики струн считают, что происходит либо одно, либо другое. Мы не знаем, какое именно», — сказал Кумрун Вафа из Гарвардского университета.

Наблюдательные данные, свидетельствующие о постепенном снижении уровня темной энергии, стали бы большим подспорьем для сценария «мягкого падения». «Это было бы потрясающе. Это стало бы самым важным открытием со времен открытия самой темной энергии», — сказал Вафа.

Но пока любые подобные предположения лишь в самой приблизительной степени основаны на анализе DESI. Космологам придётся понаблюдать ещё за многими миллионами галактик, прежде чем всерьёз задуматься о революции.

«Если это подтвердится, это может проложить путь к новому, потенциально более глубокому пониманию Вселенной», — сказал Рисс. «Следующие несколько лет должны быть очень показательными».

Источник: www.quantamagazine.org