Новые данные подтверждают изменчивую природу темной энергии и ее роль в расширении Вселенной

Научное сообщество стоит на пороге фундаментального прорыва в понимании темной энергии — загадочной силы, ответственной за ускоренное расширение Вселенной. Еще недавно представления о темной энергии как о константе казались незыблемыми, однако накапливающиеся данные всё увереннее указывают на её изменчивость во времени.

По мере поступления новых данных от Инструмента спектроскопических исследований темной энергии (DESI), а также при их сопоставлении с информацией из других источников, гипотеза о непостоянстве темной энергии становится все более явной и убедительной. Мустафа Исхак-Бушаки, ученый из Техасского университета в Далласе и соруководитель одной из рабочих групп DESI, отмечает, что "мы приближаемся к точке невозврата" в вопросе подтверждения динамической природы темной энергии. Исхак-Бушаки и другие члены команды DESI представили последние результаты своей работы на Глобальном физическом саммите Американского физического общества, прошедшем в Анахайме, штат Калифорния. Ряд научных статей, посвященных этим исследованиям, также был опубликован в открытом архиве физических препринтов arXiv.

Космологическая постоянная, введенная Эйнштейном (обозначаемая греческой буквой лямбда - λ), предполагала существование своего рода "антигравитации" – силы отталкивания, действующей в космических масштабах. Согласно квантовой физике, даже абсолютно пустое пространство – вакуум – на самом деле не является пустым. Оно наполнено энергией, проявляющейся в виде постоянно возникающих и исчезающих невидимых (для человеческого глаза) частиц, которые находятся в непрерывном, сложном "квантовом танце". Именно это бурлящее "море" невидимых частиц потенциально может быть источником темной энергии, обеспечивая Вселенной дополнительное ускорение, заставляющее ее расширяться все быстрее. Однако, существует серьезная проблема: расчеты показывают, что квантовый вакуум должен содержать колоссальное количество энергии, примерно в 10120 раз больше, чем наблюдается в виде темной энергии.

Таким образом, если темная энергия действительно является проявлением космологической постоянной, то Вселенная должна расширяться значительно быстрее, чем мы наблюдаем. Однако, большинство имеющихся на сегодняшний день наблюдений говорят о том, что темная энергия, по-видимому, является постоянной. На данный момент наиболее успешной теоретической моделью, описывающей Вселенную, считается λ-CDM модель. В ней учитывается как "холодная темная материя" (CDM – Cold Dark Matter), слабо взаимодействующая с обычным веществом, так и темная энергия, представленная космологической постоянной (λ - Лямбда). Однако, существуют и альтернативные гипотезы. Одна из них предполагает, что Вселенная заполнена "квинтэссенцией" – флуктуирующей формой темной энергии, плотность которой может меняться со временем и пространством. Есть и другие модели, где плотность темной энергии меняется на протяжении истории Вселенной.

В ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, существовала горячая и плотная плазма из элементарных частиц, включая ядра водорода и гелия (барионы). Незначительные колебания плотности в этой плазме порождали волнообразные возмущения, которые, по мере расширения и охлаждения Вселенной, "заморозились" в трехмерном пространстве. Эти "ряби", напоминающие звуковые волны, получили название барионных акустических осцилляций (БAO). Ученые используют БAO в качестве своего рода "космической линейки", позволяющей измерять расстояния в космосе и изучать влияние темной энергии на расширение Вселенной на разных этапах ее эволюции.

На помощь ученым пришел DESI – высокотехнологичный инструмент, способный одновременно регистрировать спектры света от 5000 небесных объектов.

Основной задачей DESI является проведение точных измерений видимых размеров этих "космических пузырей" БAO на разных расстояниях, определяя расстояния до галактик и квазаров, расположенных на удалении до 11 миллиардов световых лет от нас. Полученные данные затем анализируются по временным "срезам", чтобы определить скорость расширения Вселенной в различные эпохи прошлого и, таким образом, выявить, как темная энергия влияла на это расширение.

Первые результаты, опубликованные в прошлом году, были основаны на анализе данных, собранных в течение года и охватывающих семь различных "эпох" космического времени. В анализ вошли спектры 450 000 квазаров – беспрецедентно большой выборки, обеспечивающей рекордную точность измерений для самой удаленной эпохи (8-11 миллиардов лет назад) – то есть 0,82%. Хотя в целом данные соответствовали λ-CDM модели, при их сопоставлении с результатами других исследований, включающих данные о космическом микроволновом фоновом излучении (CMB) и сверхновых типа Ia, выявились некоторые интересные отклонения.

В частности, эти отклонения указывали на возможность того, что темная энергия может ослабевать со временем. Статистическая значимость этих результатов, оцениваемая в единицах сигма, составила 2,6 сигма для данных DESI в сочетании с данными CMB. При добавлении данных о сверхновых, значимость возросла до 2,5, 3,5 или 3,9 сигма, в зависимости от того, какой именно набор данных о сверхновых использовался. [Сигма – мера статистической достоверности в научных исследованиях. Чем выше значение сигма, тем меньше вероятность того, что наблюдаемый эффект является случайностью. В физике частиц, например, для объявления об открытии нового явления обычно требуется уровень значимости не менее 5 сигма.]

Уилл Персиваль, соруководитель проекта DESI из Университета Ватерлоо, подчеркивает важность сопоставления данных DESI с результатами других независимых измерений, поскольку "нам необходима научная согласованность". "Разные эксперименты должны приводить к одинаковым выводам относительно количества материи во Вселенной на сегодняшний день и скорости ее расширения. Недостаточно, если все эксперименты просто подтверждают Лямбда-CDM модель, но при этом дают разные значения для ее параметров. Это будет означать, что модель не работает. Простого соответствия λ-CDM недостаточно. Необходимо, чтобы данные соответствовали λ-CDM модели и при этом давали одинаковые значения для ее основных параметров".

Новые результаты, представленные лабораторией DESI, основаны на анализе данных, собранных за первые три года работы, и охватывают почти 15 миллионов галактик и квазаров. Как и прежде, данные DESI сами по себе хорошо согласуются с λ-CDM моделью, подтверждая гипотезу о постоянстве темной энергии. Однако, при их объединении с данными CMB, сверхновых и исследований слабого гравитационного линзирования, вновь проявились устойчивые намеки на то, что темная энергия может все-таки меняться со временем. Уровень статистической значимости этих намеков варьируется от 2,8 до 4,2 сигма, в зависимости от комбинации использованных наборов данных – все еще немного не дотягивая до заветного порога в 5 сигма.

Для непосвященного человека это может показаться незначительным шагом вперед. Однако, как отмечает Персиваль, "данные DESI сами по себе представляют собой существенный прогресс". "Теперь у нас есть трехлетний массив данных, а не однолетний. И дело не только в увеличении площади обзора, но и в большем перекрытии наблюдаемых областей неба. Методика обзора DESI заключается в последовательном "наращивании" наблюдений на определенных участках неба. И за три года работы, в отличие от одного года, мы получили гораздо больше перекрытий, что позволило нам достичь большей полноты данных и проникнуть на большую глубину наблюдений в различных областях. В результате, точность наших измерений БAO значительно возросла, примерно в 2-3 раза, в зависимости от соотношения между площадью обзора и глубиной".

Произведенное DESI картографирование космоса представляет собой впечатляющую филаментарную структуру — сети галактик, простирающиеся на миллиарды световых лет от Земли. Эта трехмерная карта распределения материи служит фундаментальным инструментом для проверки космологических моделей.

Королевский астроном Шотландии, Кэтрин Хейманс, в недавнем интервью отметила, что новые результаты значительно повышают доверие ученых к анализу данных DESI. Она призналась, что была удивлена ажиотажем, который вызвали первые результаты DESI в прошлом году, поскольку, по ее словам, "при публикации первых наборов данных, научное сообщество всегда относится к результатам с определенной долей скептицизма". Однако, команда DESI сделала свои данные открытыми, и независимые ученые проводили собственные анализы в течение последнего года, подтвердив надежность первоначальных выводов.

"Действительно убедительное свидетельство в пользу динамической темной энергии появляется при совместном анализе данных DESI о барионных акустических осцилляциях, выступающих в роли "стандартной линейки", и данных о сверхновых", – добавила Хейманс. "Это два совершенно разных метода измерения скорости расширения Вселенной. Их комбинация дает весьма веские основания говорить об обнаружении динамической темной энергии".

В ближайших планах астрономов DESI – анализ полного пятилетнего массива данных. Ученые надеются, что наблюдающаяся тенденция к росту статистической значимости сохранится, и им удастся достичь, а возможно, и превысить порог открытия в 5 сигма – что стало бы по-настоящему сенсационным результатом. По словам Персиваля, это, вероятно, произойдет не раньше, чем через два года. Если уровень в 5 сигма будет достигнут, Хейманс предполагает, что аналогичные результаты следует ожидать и от космического телескопа "Евклид", который в ближайшем будущем должен начать аналогичный DESI эксперимент, но на больших красных смещениях. [Красное смещение – увеличение длины волны света, исходящего от удаленных объектов, вызванное расширением Вселенной. Чем дальше объект, тем больше его красное смещение.]

"В случае подтверждения изменчивости темной энергии, открывается огромный спектр новых возможностей", – подчеркивает Персиваль. "Теоретики будут обеспечены работой на многие годы вперед. Как ученый, я стараюсь сохранять некоторую осторожность в оценках. Но если это действительно так, то это будет следующим большим шагом после открытия самой темной энергии. Модель с постоянной лямбдой работала. Теперь же получается, что она не полностью соответствует действительности. Это означает, что мы получаем доступ к гораздо более богатой информации об этом процессе. Я думаю, что многие опасались, что все данные будут лишь подтверждать полное согласие с лямбдой. Но если оказывается, что в деталях ускорения происходят какие-то изменения, это очень интересно, поскольку открывает путь к более глубокому пониманию физики темной энергии".

"Отсутствие фундаментального теоретического обоснования динамической темной энергии меня несколько беспокоит", – признается Хейманс. "Это как если бы наблюдатели бросили вызов теоретикам, предложив им найти объяснение. Было бы замечательно объяснить обе темные сущности – темную материю и темную энергию – в рамках одной теории. Я рада появлению "трещин" в космологической модели, поскольку это стимулирует теоретическое сообщество мыслить нестандартно, генерировать новые идеи. И, возможно, именно таким путем удастся разрешить загадку темных сущностей, ради чего мы все здесь и работаем".