18.10.2024. - Может ли темная энергия изменяться со временем

Может ли темная энергия изменяться со временем

Когда в 1992 году я защитил докторскую диссертацию, Вселенная была полна загадок — мы даже не знали точно, из чего она состоит. Можно было бы возразить, что космологи практически не продвинулись в нашем понимании этих основных фактов с тех пор, как в 1960-х годах был обнаружен космический микроволновый фон (CMB), остаточное излучение Большого взрыва.

Я покинул Великобританию после окончания докторантуры, чтобы начать исследовательскую карьеру в США, где мне посчастливилось работать над новым экспериментом под названием Sloan Digital Sky Survey (SDSS). В этом новом исследовании использовались достижения цифровых технологий с целью измерения "красных смещений" (того, как свет становится более красным, если кажется, что источник удаляется от вас) миллиона галактик.

Эти красные смещения затем были использованы для измерения расстояний и позволили космологам составить карту трехмерной структуры Вселенной.

Одной из космических загадок 1980-х годов, основанной на новаторском исследовании красного смещения CfA, проведенном Маргарет Геллер и Джоном Хучрой, была значительная неоднородность галактик и, следовательно, материи в нашем космическом окружении. Галактики были сгруппированы вместе в широком диапазоне масштабов, что свидетельствовало о наличии когерентных "сверхскоплений" галактик протяженностью более 30 миллионов световых лет.

Было важно знать, как из однородного реликтового излучения могли образоваться такие сверхскопления, поскольку это могло бы рассказать нам об общем количестве вещества во Вселенной и, что более интересно, из чего это вещество состоит. Это предполагало, что единственной действующей силой была гравитация.

К концу первого этапа SDSS мы достигли нашей цели - миллиона красных смещений. Эти данные были использованы для открытия многих сверхскоплений по всей Вселенной, включая удивительную "Великую стену Слоуна", которая остается одной из крупнейших известных когерентных структур во Вселенной, протяженностью более миллиарда световых лет.

Мне повезло, что я пережил эту удивительную эпоху космических открытий на рубеже веков. Исследования, подобные SDSS, в сочетании с новыми наблюдениями реликтового излучения и поисками далеких взрывающихся звезд, известных как сверхновые типа Ia (SNeIa), позволили получить однозначный ответ на вопрос: "Из чего состоит Вселенная?"

Открытие темной энергии

С 1999 по 2004 год космологическое сообщество пришло к единому мнению, что Вселенная состоит на 5% из обычной (барионной) материи, на 25% из темной материи (неизвестной, невидимой материи) и на 70% из "темной энергии" (экспансивной силы) — по сути, космологической постоянной, которая была впервые постулирована Эйнштейном. Открытие того, что во Вселенной доминирует эта постоянная энергия, потрясло всех, особенно после того, как Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей "самой большой ошибкой".

Сегодня космологи по-прежнему сходятся во мнении, что это наиболее вероятный вариант строения нашей Вселенной. Но космологи—наблюдатели, такие как я, значительно усовершенствовали наши измерения этих космических переменных, сократив погрешности в этих величинах.

Последние данные исследования темной энергии (DES) показывают, что 31,5% Вселенной состоит из материи (комбинации темной и обычной), а остальное - из темной энергии, предполагающей космологическую постоянную. Погрешность этого измерения составляет всего 3%.

Мы надеемся, что знание этих цифр с большей точностью поможет космологам понять, почему Вселенная такова. Почему мы должны ожидать, что сегодня 70% Вселенной являются "темными" (невидимыми с помощью электромагнитного излучения) и не связаны с "материей", как все остальное во Вселенной?

Происхождение этой темной энергии остается самой большой проблемой для физики даже после 20 лет интенсивных исследований.

Интригующие измерения

Как и я, некоторые космологи за последние два десятилетия отвлеклись на другие проблемы. Однако 2024 год может стать началом новой эры открытий. В этом году космологи опубликовали новые результаты, основанные на двух наших лучших космологических исследованиях.

Первый зонд состоит из взрывающихся звезд, получивших название "SNeIa". Поскольку эти звезды имеют узкий диапазон масс, их взрывы могут быть хорошо откалиброваны, что дает космологам предсказуемую яркость, которую можно увидеть издалека. Сравнивая известную яркость этих звезд с их красным смещением, мы можем определить историю расширения Вселенной. Эти объекты, по сути, сыграли решающую роль в открытии того, что расширение нашей Вселенной ускоряется.

Второй зонд работает над изучением барионных акустических колебаний (BAO) — реликтов предсказуемых звуковых волн в плазме (заряженном газе) ранней Вселенной, до появления реликтового излучения. Теперь они зафиксированы в крупномасштабной структуре галактик вокруг нас. Как и у SNeIa, их предсказуемый размер можно сравнить с наблюдаемым сегодня, чтобы измерить историю расширения Вселенной.

Недавно DES опубликовала окончательные результаты SNeIa, полученные в результате более чем десятилетней работы, в ходе которой были обнаружены и охарактеризованы многие тысячи вспышек сверхновых. Хотя эти результаты SNeIa согласуются с ортодоксальной точкой зрения о том, что во Вселенной доминирует космологическая постоянная, они оставляют открытой заманчивую возможность новой физики, а именно, что темная энергия может изменяться в зависимости от космического времени.

Тем не менее, ученых учат быть скептиками, и есть много причин не доверять ни одному эксперименту, ни одному наблюдению, ни даже одной группе космологов!

Космологи сейчас идут на все, чтобы "скрыть" свои результаты от самих себя во время анализа данных, раскрывая ответ только в последний момент. Это делается для того, чтобы избежать влияния неосознанных человеческих предубеждений на работу, которые, возможно, могут побудить людей получить ответ, который, по их мнению, они должны увидеть.

Вот почему повторяемость результатов лежит в основе всей науки. В космологии мы ценим необходимость проведения множества экспериментов, проверки и оспаривания друг друга.

Вторым результатом, который заставил обратить на себя внимание, стали первые измерения BAO с помощью спектроскопического прибора темной энергии (DESI), преемника SDSS. Первая карта космоса DESI глубже и плотнее, чем оригинальная SDSS. Первые результаты исследования BAO интригуют — сами по себе данные по-прежнему соответствуют космологической постоянной, но в сочетании с другими источниками данных появляются намеки на возможную изменяющуюся во времени темную энергию.

В частности, когда DESI анализирует комбинацию своих результатов BAO с окончательными данными DES SNeIa, значимость изменяющейся во времени темной энергии возрастает до 3,9 сигмы (показатель того, насколько необычен набор данных, если гипотеза верна) - вероятность того, что это статистическая случайность, составляет всего 0,6%.

Большинство из нас согласились бы с такой вероятностью, но ученые и раньше сталкивались с систематическими ошибками в своих данных, которые могут имитировать статистическую достоверность. Поэтому физики элементарных частиц требуют, чтобы стандарт открытия составлял 5 сигм для любых заявлений о новой физике — в противном случае вероятность ошибки составляет менее одного к миллиону!

Как говорят ученые, "Экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств".

Умопомрачительные выводы

Вступаем ли мы в новую эру космологических открытий? Если да, то что бы это значило?

Ответ на мой первый вопрос, вероятно, утвердительный. Следующие несколько лет будут интересными для космологов благодаря новым данным и результатам миссии Европейского космического агентства Euclid. Запущенный в прошлом году аппарат уже сканирует небо с беспрецедентной точностью.

Аналогичным образом, DESI получит больше и более качественных данных, в то время как Европейская южная обсерватория начнет собственное масштабное исследование красного смещения в 2025 году. Вскоре к работе подключится обсерватория Рубина в Чили. Объединение этих наборов данных должно доказать, что темная энергия меняется в зависимости от космического времени.

Если это так, то это означает, что сейчас темной энергии меньше, чем в прошлом. Это может быть вызвано многими причинами, но, что интересно, это может означать окончание нынешней, ускоренной фазы расширения Вселенной.

Это также подразумевает, что темная энергия, вероятно, не является космологической постоянной, которая, как полагают, связана с фоновой энергией, связанной с пустым пространством. Согласно квантовой механике, пустое пространство на самом деле не пустое, частицы появляются и исчезают, создавая то, что мы называем "вакуумной энергией". По иронии судьбы, предсказания об этой энергии вакуума на много порядков расходятся с нашими космологическими наблюдениями.

Итак, если бы мы действительно обнаружили, что темная энергия меняется со временем, это могло бы объяснить, почему наблюдения расходятся с квантовой механикой, которая является чрезвычайно хорошо проверенной теорией. Это наводит на мысль, что предположение стандартной космологической модели о том, что темная энергия постоянна, нуждается в переосмыслении. Такое понимание может помочь разгадать другие тайны Вселенной или открыть новые.

Короче говоря, новые космологические наблюдения, которые появятся в этом десятилетии, будут стимулировать новую эру физического мышления. Поздравляю моих юных космологов: это ваша эра веселого времяпрепровождения.

Источник