Постоянство Хаббла: странные признаки изменчивости темной энергии

Если вам доводилось слышать о «величайшем промахе Эйнштейна», вероятнее всего, речь шла о космологической постоянной. Эту поправочную величину учёный внедрил в собственные формулы в 1917 году, чтобы математически зафиксировать Вселенную в стационарном, четырехмерном состоянии (три пространственных измерения плюс время). Данный член уравнения выполнял роль противовеса гравитации, не давая мирозданию ни схлопнуться в единую сингулярность, ни беспрепятственно рассеяться. Когда же в 1929 году Эдвин Хаббл доказал факт расширения Вселенной, причем происходящего с ускорением, идею о стационарности пришлось аннулировать, а сам Эйнштейн охарактеризовал введенную константу как самую грубую ошибку в своей карьере. Однако в 1997–1998 годах независимые исследовательские группы под руководством Сол Перлмуттера, а также Брайана Шмидта и Адама Рисса открыли тёмную энергию, которую впоследствии отождествили с той самой константой. Поскольку именно она заставляет космос расширяться ускоренными темпами, её природа носит выраженный антигравитационный характер. Речь идет об исключительно мизерном значении, которое тем не менее превышает нулевую отметку и отражает плотность энергии вакуума. Числовое выражение космологического члена составляет Λ = 1,089(29)⋅10⁻⁵² м⁻², тогда как плотность вакуума оценивается на уровне 5,84⋅10⁻²⁷ кг/м³.

В рамках этой публикации я также затрону свидетельства в пользу того, что данный параметр вовсе не является неизменным и претерпевает эволюцию со временем. Ранее эту тему поднимал на SE7ENе уважаемый @SLY_G в материале «Ослабевает ли тёмная энергия? Новые данные подтверждают эту гипотезу». Предлагаю разобрать этот вопрос детально.

Начиная с 1998 года статус ускоренного расширения Вселенной под воздействием тёмной энергии остаётся неоспоримым. Сама эта сущность (Λ) равномерно заполнила пространство, обладая повсеместно равной плотностью (альтернативный взгляд освещен в статье Валерия Исаковского @valisak «Теория неоднородной Вселенной как альтернатива тёмной энергии»). Поскольку значение Λ неизменно, метрика пространства не разжижается по мере его экспансии. Напротив, масштабное увеличение объёма космоса влечёт за собой пропорциональный рост общего количества содержащейся в нём тёмной энергии.

Тем не менее, с наступлением 2020-х годов на фоне роста точности астрономических наблюдений стали накапливаться аномалии, указывающие на то, что тёмная энергия видоизменяется со временем.

Почти каждый из нас сталкивался с круговыми диаграммами, демонстрирующими пропорции тёмной энергии, скрытой массы и барионной материи в обозримой части Вселенной. В основе подобных графиков лежат точные измерения масс галактик и скоростей их удаления друг от друга.

Данная модель была дополнительно откалибрована по итогам миссии космической обсерватории «Планк», функционировавшей на орбите с осени 2009 по осень 2013 года.

Эта фундаментальная парадигма носит название ΛCDM (где лямбда отсылает к космологической постоянной, а аббревиатура CDM расшифровывается как холодная тёмная материя). Базовый баланс выглядит следующим образом: примерно 70% энергетического бюджета приходится на тёмную энергию, около 25% — на тёмную материю и всего 5% — на привычную нам барионную материю. В прошлом году @valisak подробно разбирал современные воззрения на эту пропорцию в статье «Вопросы о тёмной энергии: нужна ли она, можно ли её заменить чёрными дырами, и меняется ли она со временем», где также упоминается проект DESI, к которому мы ещё вернемся. Существуют три независимых астрофизических инструмента, чьи данные взаимно подтверждают справедливость этой картины.

Реликтовое излучение (или космический микроволновый фон) представляет собой высокоизотропный энергетический срез, оставшийся от эпохи Большого Взрыва. Флуктуации плотности в нём невероятно малы — порядка один к тридцати тысячам, однако именно эти микроскопические перепады, согласно канонам стандартной космологии, позволили гравитации сформировать первые звёзды и галактические структуры.

Сверхновые типа Ia — катаклизмы, физические механизмы и абсолютная светимость которых поддаются точной калибровке. Благодаря этому они служат астрономам незаменимыми «стандартными свечами», анализ красного смещения которых позволяет вычислять масштаб расширения Вселенной с момента вспышки.

Крупномасштабная структура Вселенной задает статистические закономерности взаимного расположения галактик. В этом пространственном распределении отчётливо прослеживаются флуктуации, получившие название барионных акустических осцилляций.

Барионные акустические осцилляции (BAO) выступают аналогом реликтового излучения и представляют собой застывшее эхо звуковых волн, гулявших по плотной плазме задолго до формирования микроволнового фона — то есть в первые 380 000 лет после зарождения космоса. Эти древние колебания оставили неизгладимый отпечаток в архитектуре галактических нитей и войдов, подтверждая вместе со стандартными свечами тренд на ускоренное расширение. Тем не менее, темпы экспансии, выведенные из оптических наблюдений и акустических параметров, расходятся между собой. Данная коллизия известна научному сообществу как «хаббловское напряжение».

В течение 2020-х годов для разрешения этого кризиса были задействованы передовые исследовательские инструменты. Так, в 2021 году к работе приступил космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), чьи наблюдения лишь усилили хаббловское напряжение: полученные им данные свидетельствуют, что на заре своей истории Вселенная расширялась значительно стремительнее, чем предсказывала теория. Теоретическое обоснование этого феномена было предложено ещё в 2019 году группой американских специалистов во главе с Вивианом Пулиным, введшими понятие «ранней тёмной энергии» (EDE). Именно тогда в научном поле всерьёз заговорили о возможности ослабления тёмной энергии со временем. Более свежие изыскания исследователей из Чикагского университета опираются на массивы данных, собранных с 2021 по 2025 год в рамках проектов Dark Energy Survey и спектроскопического обзора DESI, развернутого в обсерватории Китт-Пик (Аризона). Детальный разбор этого уникального прибора ранее публиковал на SE7ENе @wmlab в статье «Пять тысяч глаз DESI». Оптическая система телескопа объединяет пять тысяч независимых позиционируемых роботом элементов, каждый из которых нацелен на конкретную галактику для точного измерения дистанции. К середине 2026 года обсерватория накопила сведения о расстояниях до 14 миллионов звёздных систем, объединив методики стандартных свечей и барионных осцилляций. Полученные массивы данных убедительно намекают на изменчивость космологической постоянной в динамике.

Как метко поясняет Алексей Левин в статье «Астрофизикам не удаётся снизить хаббловское напряжение», сопоставляя Λ по стандартным свечам и анизотропии реликтового излучения, мы сравниваем два принципиально разных временных среза. По сравнению с моментом рекомбинации (380 000 лет после Большого Взрыва), большинство наблюдаемых сверхновых вспыхнули буквально «вчера» — в пределах последних двух миллиардов лет. Пропасть между отметками в 13,8 миллиарда и 3 миллиарда лет назад — не говоря уже о периоде формирования акустических волн и современных астрономических событиях, от которых нас отделяют лишь столетия — огромна.

Вполне вероятно, что прямое сопоставление красного смещения микроволнового фона и локальных стандартных свечей некорректно само по себе. Либо же в «серой зоне» между 380 000 годами и тремя миллиардами лет после рождения Вселенной происходили процессы, временно затормозившие её экспансию. Сегодняшние оценки постоянной Хаббла варьируются: по сверхновым это 73,29 ± 1,15 (км/с)/Мпк, тогда как альтернативные измерения дают 69,8 ± 0,8 (км/с)/Мпк, 71,5 ± 1,8 (км/с)/Мпк или 73,22 ± 2,06 (км/с)/Мпк. Помимо упомянутой теории неоднородной Вселенной, существуют иные гипотетические сценарии, объясняющие эти расхождения.

Не исключено, что общий запас энергии нашей Вселенной непостоянен, то есть она подпитывается за счёт внешних источников.

Возможно также, что тёмная энергия со временем истощается или следует сценарию циклической пульсирующей Вселенной.

Нельзя сбрасывать со счетов и влияние глубинных метаморфоз, происходящих со скрытой массой — тёмной материей.

Для полноты картины приведем разброс параметров космологической постоянной, выведенный из анализа флуктуаций микроволнового фона по версии телескопа «Планк».

Подобные графики могут сигнализировать о том, что запасы тёмной энергии в современном космосе исчерпываются быстрее, чем предполагалось. Если эта сущность действительно эквивалентна вакуумной энергии и питается флуктуациями квантовой пены (рождением и мгновенной аннигиляцией виртуальных частиц), то затухать может именно этот фоновый процесс, что ведёт к уменьшению суммарной энергии вакуума.

Весной 2024 года в журнале Physical Review D была опубликована ещё более радикальная гипотеза группы физиков из Университета Аристотеля в Салониках под руководством Стилианоса Циилиукаса. В статье «Dark energy from topology change induced by microscopic Gauss‑Bonnet wormholes» исследователи связывают эволюцию вакуумной энергии со спонтанным образованием микроскопических червоточин Гаусса — Бонне. Данный математический аппарат описывает перестройку кривизны трёхмерного пространства, а сами кротовые норы выступают чисто квантовыми объектами, подобными виртуальным частицам. Механизм их появления концептуально близок к хокинговскому излучению чёрных дыр. Однако в отличие от точечных квантов, эти структуры обладают пространственной протяженностью, и их строгий расчет невозможен без полноценной теории квантовой гравитации, которой у науки пока нет. Тем не менее, расчеты авторов показывают: если каждую секунду в каждом кубическом сантиметре пространства спонтанно рождается около 10 миллиардов столь миниатюрных червоточин, это полностью объясняет наблюдаемое ускорение Вселенной и согласуется с текущим значением космологической постоянной.

Заключение

Реальность тёмной энергии не вызывает сомнений. Это фундаментальный драйвер, обеспечивающий ускоренное разбегание галактик. Ранее на страницах SE7ENа я уже рассматривал нестандартный вариант объяснения этого феномена через гипотетическое глобальное вращение Вселенной, однако в рамках классического подхода тёмная энергия выступает единственным известным фактором антигравитации. При текущих параметрах плотности вакуума, который вполне может оказаться ложным, её потенциала с избытком хватает для поддержания космического ускорения.

Нельзя исключать, что кажущееся угасание тёмной энергии — лишь следствие систематических погрешностей в наблюдениях, а космологическая постоянная остаётся неколебимой константой. Существует также альтернативная концепция конца прошлого века, сторонником которой является доктор Джошуа Фриман из Чикагского университета: согласно ей, за эффекты тёмной энергии отвечает пока еще не открытое поле, переносчиками взаимодействия в котором служат гипотетические бозоны. Наконец, нельзя сбрасывать со счетов гравитационное влияние соседних вселенных в рамках Мультивселенной, о чём упоминается здесь. Какой бы фантастичной ни казалась часть этих гипотез (пожалуй, добавлю хаб «Научная фантастика»), точное определение параметров космологической постоянной — критически важная ступень, которая способна приблизить нас к построению теории квантовой гравитации и пониманию истинного устройства нашего мира.

Источник