Темная энергия - это настолько сложная загадка, что она ставит под сомнение самые надежные теории. Вселенная расширяется, движимая неизвестной силой, которую мы назвали Темной энергией. Темная энергия также ускоряет скорость расширения. Если бы ученые смогли выяснить почему, это открыло бы совершенно новый путь к пониманию.
Стремление понять темную энергию настолько велико, что был создан специальный прибор, предназначенный именно для ее понимания: DESI, спектроскопический прибор для изучения темной энергии. Основное исследование DESI началось в 2021 году и основано на барионных акустических колебаниях (BAO) для создания карты распределения материи во Вселенной. Исследование охватывает огромный объем Вселенной с предельными подробностями.
Наше понимание того, что Вселенная расширяется, восходит к началу 20-го века, когда астрономы заметили, что свет от некоторых удаленных объектов смещен в красную часть спектра. Это называется красным смещением, и исследователи пришли к выводу, что это связано с удалением объектов от Земли.
Прорыв произошел, когда Эдвин Хаббл выяснил, что чем дальше объект находится от Земли, тем быстрее он удаляется. До нас дошло, что мы живем в динамичной Вселенной, а не в статичной.
Космологи полагали, что гравитация замедляет скорость расширения. Однако в 1998 году астрономы обнаружили, что на самом деле оно ускоряется. Космологическая постоянная объясняет это ускорение и, по сути, представляет собой плотность энергии, которая, по-видимому, является неотъемлемой частью Вселенной. С этим связана постоянная Хаббла, которая определяет скорость расширения Вселенной.
Проще говоря, постоянная Хаббла показывает, с какой скоростью в настоящее время расширяется Вселенная, в то время как космологическая постоянная является фактором, влияющим на эту скорость. Попытки измерить эти константы дали разные ответы. Очевидно, что мы имеем дело с загадкой.
"Космологическая постоянная - это, по сути, просто дополнительный член в уравнении, которое все используют уже много лет", - сказал Эндрю Херин, физик из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, которая является учреждением - членом DESI. "Мы не знаем, почему это приобретает такое особое значение, но это очень простое объяснение этого неожиданного космического ускорения".
Данные, собранные DESI за первый год, позволили проследить расширение Вселенной на протяжении 11 миллиардов лет. Эти первоначальные данные в основном соответствовали нашей стандартной космологической модели, называемой Лямбда-CDM. Однако были некоторые небольшие расхождения, свидетельствующие о том, что темная энергия изменялась с течением времени. Если она меняется, то это прямой вызов космологической постоянной.
На первый взгляд это может показаться разочаровывающим. Одно из наших самых фундаментальных представлений о Вселенной подвергается сомнению благодаря мощным наблюдениям. Однако верно и обратное: это вызвало ажиотаж.
"Если результат DESI подтвердится, это означает, что космологическая постоянная не является причиной космического ускорения. Это гораздо интереснее", - сказал Херин. "Это означало бы, что космос заполнен динамично развивающейся жидкостью с отрицательной гравитацией, которая никогда не наблюдалась ни в одном настольном эксперименте на Земле".
Чтобы продвинуться вперед, Херин и его коллеги обратились к моделированию на суперкомпьютере. Они использовали суперкомпьютер Aurora exascale в Argonne Leadership Computing Facility для проведения крупномасштабного моделирования Вселенной. Это моделирование позволяет исследователям проверить данные DESI.
Херин и его коллеги-исследователи представили результаты своего моделирования в новой статье под названием "Освещая физику темной энергии с помощью моделирования Discovery". Статья была отправлена в Открытый журнал астрофизики и доступна на сервере препринтов arXiv. Ведущим автором является Джиллиан Бельц-Мурман, научный сотрудник группы космологической физики и передовых вычислений Аргоннской национальной лаборатории.
"Когда в прошлом году был опубликован этот результат, мы были очень, очень взволнованы", - сказала Катрин Хайтманн, космолог и заместитель директора отдела физики высоких энергий Аргоннского университета. "Наша команда собралась вместе, чтобы обсудить, что мы могли бы сделать, чтобы помочь сообществу взглянуть на это с точки зрения моделирования. Моделирование играет решающую роль в отделении фундаментальной физики от систематики в наблюдениях или анализе данных".
Одна из сложностей при наблюдении за Вселенной заключается в том, чтобы определить, является ли то, что мы видим, истинным отображением реальности или же оно содержит искажения, созданные нами самими, такие как предвзятость наблюдений или проблемы с обработкой данных наблюдений. Мощное моделирование на суперкомпьютере - это способ, с помощью которого ученые могут тщательно проверить свои наблюдения.
"Поскольку мы не можем создать мини-вселенную для проведения экспериментов, мы можем проверить теории, используя действительно большие компьютеры, такие как Aurora, для моделирования роста структуры Вселенной с течением времени", - говорит Джиллиан Бельц-Мурман, научный сотрудник Аргоннского университета.
Исследователи провели два отдельных моделирования, названных симуляциями Discovery. У обоих были одинаковые начальные условия, но в одном из них темная энергия была постоянной, а в другом она менялась со временем. Моделирование не может однозначно доказать, правы мы или нет, но оно является важным следующим шагом.
"Моделирование Discovery представляет собой пару блоков с одинаковыми начальными условиями; единственное различие между этими двумя моделями заключается в космологии", - пишут авторы в своей статье. "В первом блоке используется космология Lambda CDM, в то время как во втором блоке содержится уравнение состояния темной энергии w, которое изменяется во времени". Значения космологических параметров основаны на результатах DESI за первый год.
"Идея заключается в том, что вы создаете модельную вселенную на основе одного набора допущений, а затем сравниваете свою модельную вселенную с реальной вселенной. Если соответствие очень хорошее, это дает вам некоторую уверенность в том, что ваши предположения верны", - сказал Херин. "Но если у вас есть какое-то грубое расхождение, то это говорит вам о том, что ваши предположения не соответствуют реальной вселенной и не соответствуют истине".
Это стало возможным только благодаря значительному увеличению вычислительной мощности. Моделирование того, на что раньше уходили недели, теперь с помощью суперкомпьютера Aurora занимает всего несколько дней. "Эти симуляции служат демонстрацией новой уникальной возможности проводить моделирование космологического объема с высоким разрешением за ~ 2 дня, что позволяет проводить исследования новых космологических результатов в режиме, близком к реальному времени", - объясняют исследователи в своей статье.
"Используя огромную вычислительную мощность Aurora для быстрого проведения крупномасштабных симуляций с достаточно высоким разрешением, мы можем гораздо быстрее реагировать на новые данные космологических наблюдений", - сказал специалист по вычислительной технике из Аргонна Адриан Поуп. - На наших более ранних суперкомпьютерах такое моделирование заняло бы недели вычислительного времени, но на Aurora каждое моделирование занимало всего два дня".
"Эта пара симуляций действительно иллюстрирует нашу способность извлекать из такого сотрудничества, как DESI, свежие результаты, сразу же запускать моделирование на основе этих результатов и затем видеть, как это выглядит", - сказал Бельц-Мурман.
Между этими двумя моделями есть лишь небольшие расхождения, но они есть, и они важны.
"Если анализ этих двух симуляций даст нам представление о типе измерений, которые мы должны провести, чтобы сузить рамки космологической модели, тогда мы можем вернуться к реальным данным DESI, провести те же измерения и посмотреть, что они нам скажут", - сказал Бельц-Мурман. Наблюдения и моделирование находятся в едином цикле обратной связи.
Моделирование показало, что наше понимание функции массы гало темной материи может быть ошибочным. Функция массы гало является частью понимания того, как темная материя распределена во Вселенной. "При всех красных смещениях и для всех масс функция массы гало подавлена в моделировании лямбда-CDM по сравнению с моделированием w0waCDM", - пишут авторы. Моделирование w0waCDM основано на данных DESI, показывающих колебания темной энергии.
Моделирование также показало разницу в скорости, с которой гало темной материи наращивают массу. При низких красных смещениях гало w0waCDM наращивают массу немного быстрее, чем гало в моделировании лямбда-CDM. При больших красных смещениях разница уменьшается.
Моделирование также показало различные скорости звездообразования (SFR). "Среди гало с малой массой наибольшие различия в скоростях звездообразования между двумя космологиями проявляются при высоком красном смещении (z > 1), где скорость звездообразования галактик w0waCDM на ~2% ниже, чем скорость звездообразования галактик лямбда-CDM", - пишут авторы в своей статье. Среди ореолов средней и большой массы разница возрастает.
Результаты подтверждают динамическую модель темной энергии, согласно которой темная энергия меняется со временем. Однако авторы предупреждают, что эти результаты пока не являются окончательными.
"Следует отметить, что, поскольку модели Discovery содержат различия во всех их космологических параметрах, мы не изолируем влияние эволюционирующей темной энергии, а скорее исследуем различия в этих двух моделях, основываясь на их общей космологии", - объясняют авторы в своей статье.
