Темная энергия ослабевает? Новые доказательства подтверждают эту точку зрения.

В прошлом году огромная карта космоса намекнула на то, что двигатель космического расширения, возможно, начал работать с перебоями. Теперь физики вернулись с еще большей картой и более убедительным выводом. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Прошлой весной группа из почти 1000 космологов объявила, что тёмная энергия — загадочный фактор, заставляющий Вселенную расти в размерах с постоянно возрастающей скоростью, — возможно, ослабевает. Этот сенсационный результат, основанный на наблюдениях группы за движением миллионов галактик в сочетании с другими данными, был предварительным и неполным. Сегодня учёные сообщают, что проанализировали более чем вдвое больше данных, чем раньше, и что это ещё сильнее указывает на тот же вывод: тёмная энергия теряет свою силу.

«Сейчас мы гораздо увереннее, чем в прошлом году, что это действительно так», — сказал Сешадри Надатхур, участник коллаборации DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), группы, подготовившей этот новый результат.

Их открытие, представленное сегодня на Всемирном физическом саммите в Анахайме, штат Калифорния, согласуется с результатами второй группы космологов, в которую входят 400 участников проекта Dark Energy Survey (DES). DES, также наблюдавшие огромную область космоса, сообщили о наличии вариативности темной энергии в статье, опубликованной ранее в этом месяце, и в сегодняшнем докладе на конференции в Анахайме.

«Интересно, что всё движется в этом направлении и что многочисленные эксперименты выявляют определённое противоречие» с идеей о том, что тёмная энергия постоянна, — сказал Майкл Троксэл, член команды DES из Университета Дьюка.

Если доказательства эволюции темной энергии подтвердятся по мере накопления новых данных — а это не гарантировано — это перевернет представление космологов о нашей конечной судьбе. Темная энергия с постоянной плотностью и давлением обречет наш космос на вечное расширение, пока непреодолимые пропасти не отделят каждую частицу от всех остальных, подавив всякую активность. Но эволюционирующая темная энергия делает возможными альтернативные варианты будущего. «Это бросает вызов судьбе Вселенной», — сказал Мустафа Ишак-Бушаки, космолог из Техасского университета в Далласе и член команды DESI. «Это кардинально меняет ситуацию».

Эволюция или ослабление темной энергии также переписали бы наше представление о современной реальности. Самая простая идея заключается в том, что темная энергия — это энергия самого вакуума космоса, что должно быть неизменной особенностью квантовой физики. Эволюция темной энергии возвестила бы о присутствии чего-то дополнительного, какого-то ранее не обнаруженного компонента в фундаментальном рецепте космоса. Недостающая часть может быть такой простой, как новый тип частиц, или же она может выявить тонкий недостаток теории гравитации Эйнштейна. Это может даже привести исследователей к созданию новой фундаментальной теории физики.

«Похоже, это будет смена парадигмы, нечто, что изменит наше понимание и то, как мы собираем все части пазла воедино», — сказал Ишак-Бушаки.

Картирование космоса

Астрофизики впервые обнаружили влияние темной энергии в конце 1990-х годов. Две группы исследователей наблюдали за десятками далеких сверхновых и обнаружили, что самые далекие из них отдалились от нашей галактики Млечный Путь даже дальше, чем ожидалось. По-видимому, что-то ускоряло расширение Вселенной.

Теоретические физики точно знали, что это должно быть: энергия самого пространства. В своей теории гравитации Эйнштейн отметил математическую нишу для «космологической постоянной» — энергии, которая имеет постоянную плотность и давление повсюду, вызывая отталкивание. Что касается источника этой энергии, физики знали, что квантовые поля, сущности, ответственные за такие частицы, как электроны и фотоны, вносят энергетический импульс в иначе пустое пространство. Эта энергия была бы слишком слабой, чтобы иметь значение на расстоянии нескольких метров, но в космическом масштабе она должна накапливаться, смещая галактики друг от друга все быстрее и быстрее по мере накопления большего пространства (и, следовательно, большего количества этой вакуумной энергии). Открытие того, что расширение Вселенной действительно ускоряется, подтвердило понимание физиками как квантовых полей, так и гравитации, хотя и породило новые вопросы.

Однако космология за последние десятилетия значительно продвинулась вперед. DESI и DES картируют миллионы небесных объектов, что обеспечивает им разрешение, необходимое для определения того, является ли темная энергия действительно космологической постоянной или же она незаметно изменяется.

Телескоп DESI обладает особенно четким изображением. Этот телескоп, расположенный на вершине горы Китт-Пик в Аризоне, оснащен тысячами вращающихся роботизированных глаз. С мая 2021 года эти глаза каждую ночь перемещаются туда-обратно, направляя свои оптоволоконные кабели на галактику за галактикой и собирая ее свет. За первый год работы телескоп наблюдал шесть миллионов галактик, точно определив скорости их удаления от Земли.

Многие галактики находятся так далеко, что их свету потребовались миллиарды лет, чтобы достичь нас. В общей сложности их свет освещает последние 11 миллиардов лет космической истории. Космологи из DESI сосредоточились на выявлении того, как галактики незаметно группируются в приблизительно сферические оболочки определенного размера, остатки волн, которые распространялись по Вселенной, когда она была намного моложе и плотнее. Они использовали эти оболочки галактик для реконструкции расширения Вселенной в мельчайших деталях.

В апреле прошлого года ученые DESI поделились результатами первого года наблюдений. Полученные данные указывают на то, что темная энергия, возможно, ослабевала в течение последних нескольких миллиардов лет. Ее плотность, по-видимому, не была постоянной.

Исследователи DESI были в восторге, но осторожны. Они говорили точно, описывая свои выводы как «намеки», а не «доказательства», и тщательно добавляли оговорки. Члены команды подчеркнули свой прошлый опыт, когда аномалии в физике исчезали с появлением дополнительных данных.

«Возник большой вопросительный знак: насколько убедительны эти новые данные?» — сказала Ким Бергхаус, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, не входящая в команду DESI. «Сначала многие думали, что они исчезнут».

Затем прошлой осенью участники коллаборации опубликовали более подробный анализ, в котором рассматривались более тонкие закономерности в расположении галактик, выходящие за рамки очевидных сферических оболочек. Признаки изменения темной энергии сохранялись. «Все вздохнули с облегчением», — сказал Диллон Браут, космолог из Бостонского университета, входящий в состав групп DESI и DES.

Новый результат работы группы основан на трехлетних наблюдениях за звездами с помощью роботизированных глаз на горе Китт-Пик. Анализ этих новых данных изменил настроение с облегчения на восторг.

Миллионы других галактик

Если в первый год работы DESI были собраны данные о шести миллионах галактик, то за три года набор данных охватывает почти 15 миллионов. Команда снова идентифицировала сферические оболочки галактик и снова реконструировала последние 10 миллиардов лет космического расширения — на этот раз с еще большей детализацией.

В течение нескольких месяцев они оттачивали свой компьютерный код на условных данных и искаженной версии реальных данных, ища ошибки и проверяя, работает ли их анализ должным образом. Вечером 10 декабря 2024 года представители коллаборации встретились в Канкуне, Мексика, и три часа обсуждали, удовлетворены ли они тем, что рассмотрели анализ со всех возможных сторон.

Когда они решили, что им это удалось, несколько исследователей удалились в свои гостиничные номера, чтобы расшифровать данные и составить окончательные графики. Среди них был Надатхур, космолог из Университета Портсмута в Великобритании. Он наслаждался привилегией быть одним из первых людей на Земле, кто разгадал секреты самой большой и подробной на сегодняшний день карты галактики. Два дня спустя он вышел на сцену перед примерно 200 своими коллегами из DESI, а сотни других членов команды наблюдали за ним удаленно, и поделился результатами. «Это был лучший опыт в моей профессиональной карьере», — сказал он.

В отрыве от контекста, 15 миллионов галактик, исследованных DESI, могли бы соответствовать либо эволюционирующей модели темной энергии, либо стандартной теории космологии, известной как модель Lambda-CDM, которая предполагает наличие космологической постоянной. (Lambda — это греческий символ, используемый для обозначения космологической постоянной Эйнштейна, а CDM означает холодную темную материю.) Но когда исследователи DESI также учли существующие данные о местоположении тысяч сверхновых в близлежащих галактиках и условиях в ранние дни Вселенной, выявленных по остаткам древнего света (так называемому космическому микроволновому фону), объединенные наборы данных резко отличались от модели Lambda-CDM и указывали на эволюцию темной энергии.

Весной прошлого года DESI сообщила, что объединенные наборы данных отклонились от предсказаний модели Lambda-CDM на целых 3,9 «сигма», показатель статистической значимости. Теперь эта цифра выросла до 4,2 сигма. Если предположить, что исследователи не допустили ошибки, то это означает, что вероятность получения такого результата составляет всего около 1 к 30 000, если модель Lambda-CDM является правильной моделью космоса. Это примерно так же вероятно, как подбросить монету 15 раз и получить 15 орлов подряд.

В подтверждение полученных результатов, противоречие с моделью Lambda-CDM сохраняется (хотя и на более низком уровне), даже если удалить данные о космическом микроволновом фоне или данные о сверхновых. Это указывает на то, что проблема заключается не в каком-либо одном наборе данных.

«Они все должны вступить в сговор и совершить очень серьезные ошибки, — сказал Ишак-Бушаки, — что, на мой взгляд, крайне маловероятно».

Команда DES пришла к аналогичному выводу. За пять лет их телескоп в чилийских Андах сделал снимки высокого разрешения 12% неба, создав самый обширный на сегодняшний день каталог сверхновых и обнаружив те же сферические оболочки, которые прослеживаются в миллионах галактик (хотя и с меньшей точностью, чем у DESI). Объединив эти данные с современными наблюдениями космического микроволнового фона, они обнаружили расхождение с моделью Lambda-CDM в 3,2 сигма, которое исчезает, когда предполагается изменение темной энергии. «Это создает хорошую, согласованную картину», — сказал Троксэл.

Однако команда DES предупреждает, что статистический анализ в космологии — дело непростое. Обычно эксперимент можно повторять снова и снова, пока не убедишься в правильности или ошибочности своей теории. Но космологи наблюдают только за одной Вселенной. В связи с этим могут возникать противоречия между данными и теорией, обусловленные предположениями, сделанными относительно самой теории, а не неожиданными закономерностями в данных. «Нравится это или нет, но здесь присутствует определенная субъективность», — говорит Чивай Чанг, космолог из Чикагского университета и член команды DES.

Ещё одна сложность в интерпретации новых результатов заключается в том, что, по крайней мере, в космической истории DESI тёмная энергия, по-видимому, постепенно усиливалась на протяжении миллиардов лет, прежде чем начала ослабевать около шести миллиардов лет назад. Такое усиление не является чем-то немыслимым, но теоретики считают его весьма неестественным, называя его «фантомной» тёмной энергией.

Они уже предложили объяснения, почему фантома на самом деле нет. Возможно, данные более раннего периода не дают точной картины. Влияние темной энергии на Вселенную в ее ранние годы было незначительным, потому что тогда было гораздо меньше пространства; сигнал той эпохи слабее. Бергхаус с осторожным оптимизмом считает, что DESI нащупала что-то реальное, но ее надежда основана на предположении, что темная энергия будет последовательно ослабевать с течением времени. «Если это все-таки перейдет в фантомное пересечение, — сказала она, — я бы скорее склонилась к систематической ошибке».

Изменение уровня темной энергии значительно расширило бы диапазон возможных направлений развития Вселенной. Расширение может остановиться, и гравитация может привести к столкновению всего сущего. Или же темная энергия может снова стать фантомной, и расширяющаяся Вселенная может даже ускориться. Все зависит от деталей того, что именно генерирует эту энергию.

«Теперь ящик Пандоры открыт для теорий», — сказал Ишак-Бушаки.

Столкновение фундаментальных принципов

Накопленные данные о различных формах темной энергии вызвали полярные реакции среди физиков-теоретиков.

Для Камруна Вафы, физика из Гарвардского университета, идея Вселенной, где полная энергия в пространстве медленно рассеивается, совершенно естественна. Он специализируется на теории струн, спекулятивной концепции, которая пытается объяснить всю материю и силы с помощью вибрирующих струн энергии. По его словам, при попытке построить вселенные из струн невозможно создать такую, где кубические метры пространства сохраняли бы положительную энергию вечно. В конце концов, энергия должна упасть, либо резко, либо медленно с течением времени. «Теория как бы требует, чтобы она менялась», — сказал он. «Вопрос только в том, как быстро». Он особенно воодушевлен данными DESI, потому что они согласуются с медленным спадом, который наблюдается во многих моделях струнных вселенных.

Рафаэль Буссо, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Беркли, считает, что заявленное изменение темной энергии настолько невероятно, что граничит с невозможностью. Он отметил, что, судя по поведению известных нам частиц, вакуум должен обладать некоторой постоянной энергией; это не является необязательным условием. Таким образом, DESI должен был бы улавливать тонкое влияние какого-то дополнительного, неоткрытого поля, которое действует как постепенно истончающаяся отталкивающая жидкость — слой, наложенный поверх постоянной энергии вакуума и едва отличимый от нее. Он считает гораздо более вероятным, что какая-то незначительная ошибка или невезение привели команду DESI к неверному измерению космологической постоянной.

«Оно ходит как утка. Оно крякает как утка. Это единорог в костюме утки?» — сказал Буссо. «Что касается трех сигм, даже четырех, я не собираюсь из-за этого переживать».

Пока Буссо спокойно спит, немигающие роботизированные глаза на горе Китт-Пик продолжат всматриваться во Вселенную и в прошлое, улавливая фотоны для третьей (и последней) космической карты. Эта карта будет включать 50 миллионов галактик и может сформироваться к концу 2026 или началу 2027 года. Позже в этом году коллаборация DES планирует опубликовать наблюдения за тем, как галактики и материя группировались на протяжении эонов, — процесс, отражающий борьбу между гравитационным притяжением и отталкиванием темной энергии. Их результаты должны дополнительно прояснить, иссякает ли темная энергия.

Исследователи единодушно сходятся во мнении, что сейчас захватывающее время для космологов. Бергхаус рассматривает аномалию темной энергии как последнюю из нескольких захватывающих космологических загадок. С появлением новой волны телескопов следующего поколения в течение следующего десятилетия ей кажется, что в космологии наступило утро. «Сейчас у нас возникают все эти противоречия в рамках теории лямбда-CDM», — сказала она. «Поэтому с этой точки зрения я не думаю, что это конец истории».

Исправление: 24 марта 2025 г.
В предыдущей версии этой статьи была неверно изложена суть противоречия с моделью Lambda-CDM. Технически точное утверждение заключается в том, что если модель Lambda-CDM верна, то вероятность получения результата DESI составляет 1 к 30 000 (а не 1 к 30 000, то есть вероятность того, что модель Lambda-CDM верна, учитывая полученный результат).

Источник: www.quantamagazine.org