Новые данные ставят под сомнение лучшую научную теорию истории и строения Вселенной. Но один недавний результат наоборот укрепляет её.
Международная группа астрономов представила самые убедительные на сегодняшний день доказательства того, что тёмная энергия — загадочное явление, заставляющее нашу Вселенную расширяться всё быстрее, — не постоянная сила природы, а параметр, который то повышается, то понижается подобно отливам и приливам, меняясь на космических временных масштабах.
Тёмная энергия, как показывают новые измерения, может не обрекать нашу Вселенную на разрыв на всех уровнях, от скоплений галактик до атомных ядер. Напротив, её расширение может ослабнуть, в итоге оставив Вселенную стабильной. Или же космос может даже повернуть вспять, обрекая нас на коллапс, который астрономы называют Большим сжатием.
Последние результаты подтверждают полученный в апреле прошлого года дразнящий намёк на то, что со стандартной моделью космологии — лучшей теорией учёных об истории и структуре Вселенной — что-то не так. Измерения, полученные в прошлом году и в этом месяце, были получены в результате работы коллаборации учёных при помощи прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument, или DESI, установленного на телескопе в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне.
«Сейчас это чуть больше, чем намёк», — говорит Майкл Леви, космолог из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и директор DESI. «Это порождает противоречие с другими измерениями», — добавил доктор Леви. «Если только тёмная энергия не эволюционирует – в таком случае всё становится понятным».
Объявление было сделано на заседании Американского физического общества в Анахайме, штат Калифорния, и сопровождалось набором статей с описанием результатов, которые в настоящее время направлены на рецензирование и публикацию в журнале Physical Review D.
«Справедливости ради стоит сказать, что этот результат, если ему верить, кажется самым большим намёком на природу тёмной энергии за ~25 лет с момента её открытия», — написал в электронном письме Адам Рисс, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа в Балтиморе, который не участвовал в работе, но разделил Нобелевскую премию по физике 2011 года за открытие тёмной энергии.
Но даже когда наблюдения DESI бросили вызов стандартной модели космологии, которая предсказывает, что тёмная энергия постоянна во времени, другой результат укрепил её. Во вторник многонациональная команда, управлявшая Атакамским космологическим телескопом в Чили, опубликовала самые подробные снимки, когда-либо сделанные в младенческой Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет (телескоп был выведен из эксплуатации в 2022 году).
Их отчёт, ещё не прошедший рецензирование, похоже, подтверждает, что стандартная модель работала, как и ожидалось, в ранней Вселенной. Один из элементов этой модели, постоянная Хаббла, описывает, насколько быстро расширяется Вселенная, но за последние полвека измерения этой постоянной резко расходились, и сегодня это расхождение сократилось примерно до девяти процентов. Теоретики предполагали, что, возможно, дополнительный всплеск тёмной энергии в самой ранней Вселенной, когда условия были слишком горячими для формирования атомов, мог бы разрешить эту так называемую хаббловскую напряжённость.
Последние результаты исследования в Атакаме, похоже, исключают эту идею. Но они ничего не говорят о том, могла ли природа тёмной энергии измениться в более позднее время.
Оба доклада вызвали бурные похвалы со стороны других космологов, которые одновременно признались в космическом замешательстве по поводу того, что всё это значит.
«Я не думаю, что на данный момент осталось много хороших идей по поводу объяснения хаббловской напряжённости», — сказала Венди Фридман, космолог из Чикагского университета, которая всю жизнь занималась измерениями Вселенной и не принимала участия ни в одном из исследований.
Майкл Тёрнер, теоретик из Чикагского университета, который также не принимал участия в исследованиях, сказал: «Хорошая новость — никаких трещин в космическом яйце. Плохая новость — никаких трещин в космическом яйце».
Доктор Тёрнер, придумавший термин «тёмная энергия», добавил, что если трещина и есть, то «она ещё не открылась достаточно широко, чтобы мы могли ясно увидеть следующее большое открытие в космологии».
Тёмные ожидания
Астрономы часто сравнивают галактики в расширяющейся Вселенной с изюмом в пекарском пироге. Когда тесто поднимается, изюминки разлетаются все дальше друг от друга. Чем дальше изюминка от какой-то выбранной изюминки, тем быстрее она от неё отдаляется.
В 1998 году две группы астрономов измерили расширение Вселенной, изучив яркость сверхновых звёзд определённого типа. Такие сверхновые генерируют одинаковое количество света, поэтому на больших расстояниях они кажутся предсказуемо более тусклыми. Если расширение Вселенной замедляется, как считали учёные в то время, то свет от далёких взрывов должен был казаться немного ярче, чем предполагалось.
К своему удивлению, обе группы обнаружили, что сверхновые были слабее, чем ожидалось. Вместо того чтобы замедляться, расширение Вселенной на самом деле ускорялось.
Никакая известная физикам энергия не может привести в движение ускоряющееся расширение; её сила должна ослабевать по мере того, как она всё больше распространяется по раздувающейся Вселенной. Если только эта энергия не исходит из самого космоса.
Эта тёмная энергия имела все признаки искусственной переменной, которую Альберт Эйнштейн ввёл в свою теорию гравитации в 1917 году, чтобы объяснить, почему Вселенная не коллапсирует под собственной массой. Этот фактор, известный как космологическая постоянная, представлял собой некое космическое отталкивание, которое уравновесит гравитацию и стабилизирует Вселенную — или он так думал. В 1929 году, когда стало ясно, что Вселенная расширяется, Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав это своей самой большой ошибкой.
Но было уже слишком поздно. Одна из особенностей квантовой теории, разработанной в 1955 году, предсказывает, что пустое пространство пенится энергией, которая создаёт отталкивающую силу, подобную эйнштейновскому фактору. В течение последней четверти века эта константа была частью стандартной модели космологии. Модель описывает Вселенную, родившуюся 13,8 миллиарда лет назад в результате колоссальной искры, известной как Большой взрыв, и состоящую на 5 процентов из атомной материи, на 25 процентов из тёмной материи и на 70 процентов из тёмной энергии. Но в модели не сказано, чем на самом деле являются тёмная материя и тёмная энергия.
Если тёмная энергия действительно является константой Эйнштейна, то стандартная модель предвещает мрачное будущее: Вселенная будет вечно ускоряться, становясь всё более тёмной и одинокой. Далёкие галактики в конце концов окажутся слишком далёкими, чтобы их можно было увидеть. Вся энергия, жизнь и мысли будут высосаны из космоса.
«Что-то, за чем стоит идти»
Астрономы из команды DESI пытаются охарактеризовать тёмную энергию, исследуя галактики в разные эпохи космического времени. Крошечные неровности в распределении материи в первозданной Вселенной повлияли на расстояния между галактиками сегодня — расстояния, которые измеримым образом расширялись вместе со Вселенной.
Данные, использованные для последнего измерения DESI, состояли из каталога почти 15 миллионов галактик и других небесных объектов. Сам по себе этот набор данных не говорит о том, что с теоретическим пониманием тёмной энергии что-то не так. Но в сочетании с другими стратегиями измерения расширения Вселенной — например, изучением взрывающихся звёзд и самого старого света во Вселенной, испущенного примерно через сто тысяч лет после Большого взрыва, — эти данные уже не согласуются с тем, что предсказывает стандартная модель.
Энрике Пайас, постдокторский исследователь из Университета Аризоны, который в среду публично объявил об измерениях DESI, отметил, что эти данные означают, что космическое ускорение, вызванное тёмной энергией, началось раньше и в настоящее время слабее, чем предсказывает стандартная модель.
Расхождение между данными и теорией составляет не более 4,2 сигма (в единицах неопределённости, предпочитаемых физиками), что соответствует одному шансу из 50 000 на то, что результаты являются случайностью. Но несоответствие ещё не достигло пяти сигм (что равно одному шансу из 3,5 миллиона), строгого стандарта, установленного физиками, чтобы заявить об открытии.
Тем не менее, это расхождение наводит на мысль, что что-то в космологической модели не совсем понятно. Возможно, учёным придётся пересмотреть свои трактовки гравитации или осмыслить древний свет, появившийся после Большого взрыва. Астрономы DESI считают, что проблема может заключаться в природе тёмной энергии.
«Если мы введём динамическую тёмную энергию, то кусочки головоломки лучше сложатся», — говорит Мустафа Исхак-Бушаки, космолог из Техасского университета в Далласе, который помогал руководить последним анализом DESI.
Уилл Персиваль, космолог из Университета Ватерлоо в Онтарио и представитель коллаборации DESI, выразил волнение по поводу того, что ждёт нас впереди. «На самом деле это стимулирующий толчок в развитии науки», — сказал он. «Теперь нам есть к чему стремиться».
В 1950-х годах астрономы утверждали, что для объяснения космологии необходимы только два числа: одно — скорость расширения Вселенной, а другое — её замедление, или то, насколько это расширение замедляется. Ситуация изменилась в 1960-х годах, когда было обнаружено, что Вселенная омывается светом от Большого взрыва, известным как реликтовое излучение. Измерение этого фонового излучения позволило учёным изучить физику ранней Вселенной и то, как впоследствии формировались и развивались галактики. В результате стандартная модель космологии теперь состоит из шести параметров, включая плотность обычной и тёмной материи во Вселенной.
По мере того как космология становилась всё более точной, возникали дополнительные противоречия между предсказанными и измеренными значениями этих параметров, что привело к появлению множества теоретических расширений стандартной модели. Но последние результаты, полученные с помощью Атакамского космологического телескопа, — самые чёткие на сегодняшний день карты реликтового излучения — похоже, ставят крест на многих из этих расширений.
DESI будет продолжать сбор данных ещё как минимум год. Другие телескопы, наземные и космические, составляют свои собственные карты космоса; среди них Zwicky Transient Facility в Сан-Диего, европейский космический телескоп Euclid и недавно запущенная НАСА миссия SPHEREx. В будущем этим летом обсерватория Vera C. Rubin начнёт запись ночного неба из Чили, а в 2027 году планируется запуск Римского космического телескопа НАСА.
Каждый из них будет впитывать небесный свет, измеряя части космоса с разных точек зрения и внося свой вклад в более глубокое понимание Вселенной в целом. Все они служат постоянным напоминанием о том, какой непростой ларчик — Вселенная.
«Каждый из этих наборов данных обладает своими достоинствами», — говорит Алекси Леото, космолог из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и представитель коллаборации DESI. «Вселенная сложна. И мы пытаемся распутать множество разных вещей».
