Вселенная расширялась с момента Большого взрыва почти 14 миллиардов лет назад, и астрономы полагают, что некая невидимая сила, называемая темной энергией, заставляет ее ускоряться еще быстрее. Однако новые результаты, полученные с помощью спектроскопического прибора темной энергии (DESI), свидетельствуют о том, что темная энергия может изменяться с течением времени.
Если результат подтвердится, это может перевернуть наши нынешние космологические теории и иметь значительные последствия для дальнейшей судьбы Вселенной. В экстремальных сценариях эволюционирующая темная энергия может либо ускорить расширение Вселенной до такой степени, что она разорвется на части в результате "Большого разрыва", либо привести к ее сжатию внутрь в результате "Большого хруста".
Как член коллаборации DESI, в которую входят более 900 исследователей из 70 учреждений по всему миру, я участвовал в анализе и интерпретации результатов исследования темной энергии.
Новая картина темной энергии
Впервые обнаруженная в 1998 году, темная энергия - это своего рода субстанция, которая, по-видимому, пронизывает пространство и заставляет Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Космологи обычно предполагают, что она постоянна: так было в прошлом, так будет и в будущем.
Предположение о постоянной темной энергии заложено в широко распространенную лямбда-CDM-модель Вселенной. Согласно этой модели, только 5% Вселенной состоит из обычной материи, которую мы можем видеть. Еще 25% - это невидимая темная материя, которую можно обнаружить только косвенно. И, безусловно, большая часть Вселенной — целых 70% — состоит из темной энергии.
Результаты DESI - не единственное, что дает нам представление о темной энергии. Мы также можем рассмотреть свидетельства взрыва одной из разновидностей звезд, называемых сверхновыми типа Ia, и то, как искривляется траектория света при его прохождении через Вселенную (так называемое слабое гравитационное линзирование).
Измерения слабого остаточного излучения Большого взрыва (известного как космический микроволновый фон) также важны. Они не позволяют напрямую измерить темную энергию или то, как она эволюционирует, но дают представление о структуре Вселенной и ее энергетическом содержании, что помогает проверить модели темной энергии в сочетании с другими данными.
Когда новые результаты DESI объединяются со всеми этими космологическими данными, мы видим намеки на то, что темная энергия сложнее, чем мы думали.
Похоже, что в прошлом темная энергия была сильнее, а сейчас ослабевает. Этот результат ставит под сомнение основы лямбда-модели CDM и может иметь серьезные последствия для будущего Вселенной.
Как DESI отображает вселенную на карте.
Проект DESI базируется в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне. Его цель - создать самую обширную 3D-карту Вселенной, когда-либо созданную.
Для этого он использует мощный спектроскоп, позволяющий точно измерять частоту света, исходящего одновременно от 5000 удаленных галактик. Это позволяет астрономам определить, насколько далеко расположены галактики и с какой скоростью они движутся.
Составляя карту галактик, мы можем обнаружить тонкие закономерности в их крупномасштабном распределении, называемые барионными акустическими колебаниями. Эти закономерности могут быть использованы в качестве космических линейок для измерения истории расширения Вселенной.
Отслеживая эти закономерности с течением времени, DESI может составить карту изменения скорости расширения Вселенной.
DESI завершила только половину запланированного пятилетнего исследования Вселенной, публикуя данные по мере их поступления.
Новые результаты основаны на втором пакете данных, который включает измерения более чем 14 миллионов галактик и ярко светящихся ядер галактик, называемых квазарами. Этот набор данных охватывает период космического времени в 11 миллиардов лет — с того времени, когда Вселенной было всего 2,8 миллиарда лет, до наших дней.
Новые данные, новые задачи
Новые результаты DESI представляют собой значительный шаг вперед по сравнению с тем, что мы видели в первом пакете данных. Объем собранных данных увеличился более чем в два раза, что повысило точность измерений и сделало результаты более надежными.
Результаты первого сбора данных дали намек на то, что темная энергия может вести себя не как простая космологическая постоянная, но этого было недостаточно, чтобы делать однозначные выводы. Теперь, второй сбор данных подкрепил это доказательство.
Достоверность результатов зависит от того, с какими другими наборами данных они были объединены, в частности, от типа данных о сверхновых. Однако пока ни одна комбинация данных не соответствует типичному статистическому порогу "пять сигм", который физики используют в качестве признака подтвержденного нового открытия.
Судьба Вселенной
Тем не менее, тот факт, что с увеличением количества данных эта закономерность становится все более очевидной, говорит о том, что, возможно, происходит нечто более глубокое. Если в данных или анализе нет ошибок, это может означать, что наше понимание темной энергии — и, возможно, вся стандартная космологическая модель — нуждается в пересмотре.
Если темная энергия меняется с течением времени, это может иметь серьезные последствия для окончательной судьбы Вселенной.
Если темная энергия со временем будет усиливаться, Вселенная может столкнуться со сценарием "Большого разрыва", когда галактики, звезды и даже атомы будут разрываться на части из-за увеличения скорости расширения. Если темная энергия ослабнет или обратится вспять, расширение может в конечном итоге замедлиться или даже обратиться вспять, что приведет к "Большому кризису".
Что дальше?
DESI планирует собрать данные в общей сложности о 40 миллионах галактик и квазаров. Дополнительные данные повысят статистическую точность и помогут еще больше усовершенствовать модель темной энергии.
Будущие публикации DESI и независимые космологические эксперименты будут иметь решающее значение для определения того, представляет ли это фундаментальный сдвиг в нашем понимании Вселенной.
Будущие данные могут подтвердить, действительно ли темная энергия эволюционирует, или текущие предположения являются просто статистической аномалией. Если будет обнаружено, что темная энергия динамична, это может потребовать применения новых физических методов, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна, и открыть путь к новым моделям физики элементарных частиц и квантовой гравитации.
