Основные результаты исследования теперь указывают на то, что тёмная энергия не является постоянной величиной, а эволюционировала на протяжении всей космической истории, что ставит под сомнение стандартную модель Вселенной.

Наша Вселенная расширяется с тех пор, как она возникла в результате Большого взрыва. На протяжении десятилетий большинство космологов считали, что расширение Вселенной замедляется. Гравитация, притягивающая всю материю, в конечном итоге преодолеет импульс, полученный в результате Большого взрыва, остановит или даже обратит вспять расширение.

Но в 1998 году наблюдения за сверхновыми преподнесли сюрприз: Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Чтобы объяснить это явление, учёные предположили, что существует таинственная отталкивающая сила, раздвигающая галактики, — тёмная энергия. В течение следующих 25 лет большинство учёных считали, что эта сила постоянна, что это неотъемлемое и неизменное свойство пространства, заставляющее его расширяться всё быстрее. Теперь эта сила является частью нашей стандартной космологической модели.

Теперь недавние результаты, опубликованные 19 марта в двух крупнейших на сегодняшний день космологических исследованиях — Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) и Dark Energy Survey (DES), — ставят под сомнение это давнее предположение, добавляя всё больше доказательств того, что сила тёмной энергии, возможно, не является постоянной. Вместо этого плотность тёмной энергии может меняться с течением космического времени.

Намеки на отклонение

«Когда эксперимент только начинался, предполагалось, что мы просто получим наиболее точные измерения, подтверждающие константу, — говорит Стефани Джуно, астроном из NOIRLab Национального научного фонда и член группы по обработке данных DESI. — На самом деле мы были очень удивлены, обнаружив некоторые отклонения».

Доказательства появляются не из какого-то одного набора данных, а из растущей сходимости независимых измерений. Исследователи DESI проанализировали трёхмерную карту, содержащую почти 15 миллионов галактик и квазаров, — самую подробную спектроскопическую карту Вселенной из когда-либо созданных. Сами по себе данные DESI не ставят под сомнение стандартную космологическую модель. Но в сочетании с внешними измерениями, включая данные космического микроволнового фона (послесвечение Большого взрыва), исследования сверхновых и гравитационное линзирование, начинают проявляться противоречия.

Тем временем учёные из DES, используя отдельные методы в течение шести лет наблюдений, обнаружили схожие аномалии, которые позволяют предположить, что стандартная модель может быть неполной.

«Что меня больше всего убедило, так это то, что данные поступают из разных источников. И не может быть, чтобы все эти разные наборы данных давали один и тот же неверный ответ», — говорит Мустафа Ишак-Бушаки, астрофизик-теоретик из Техасского университета в Далласе и сопредседатель рабочей группы, которая анализировала данные DESI.

Меняющийся, а не постоянный

Идея о том, что тёмная энергия может меняться со временем, — это не просто провокационный поворот; она затрагивает одну из самых глубоких загадок современной физики. В уравнениях Эйнштейна, описывающих Вселенную, космологическая постоянная лямбда (Λ), которая, как теперь считается, представляет собой силу тёмной энергии, даёт простой способ объяснить ускоренное расширение. Квантовая теория поля предсказывает, что пустое пространство всё же должно содержать энергию, называемую энергией вакуума. Это один из кандидатов на роль тёмной энергии, но теория предсказывает, что энергия вакуума должна действовать как отталкивающая сила, более чем на 40 порядков сильнее той, которую наблюдают астрономы.

«Если [тёмная энергия] — это космологическая постоянная, то это тупик, — говорит Ишак-Бушаки. — Разница между теоретическими расчётами и измерениями была известна в этой области как самое непонятное различие, которое мы не можем объяснить».

Эволюция тёмной энергии, однако, потенциально может разрешить это противоречие между измеренным значением тёмной энергии и энергией вакуума, которую предсказывает квантовая теория. Если тёмная энергия меняется со временем, это даёт астрономам совершенно новые теоретические основания для исследований — от модифицированных теорий гравитации до энергетических полей, которые естественным образом эволюционируют на протяжении всей космической истории.

«Благодаря DESI мы увидели свет, — говорит Ишак-Бушаки. — Появилась надежда, что это не космологическая постоянная, а что-то другое. Знаем ли мы теперь, что это такое? Нет, но перед нами открылась дверь, чтобы найти это».

Учитывая, что тёмная энергия составляет около 70% Вселенной, подтверждение того, что она меняется со временем, ознаменовало бы серьёзный сдвиг в нашем понимании судьбы космоса. Модель космологической постоянной подразумевает, что Вселенная расширяется всё быстрее и в конечном итоге станет холодной и пустой. Этот сценарий иногда называют тепловой смертью или Большим замерзанием. Но динамическая тёмная энергия может привести к совершенно иным результатам, замедляя расширение или ускоряя его настолько сильно, что всё закончится катастрофическим Большим разрывом, разрывом галактик, звёзд и даже атомов.

Текущий уровень статистической достоверности объединённых результатов — около 4,2 сигмы — приближается к пороговому значению в 5 сигм, которое обычно требуется для признания научного открытия. При таком уровне вероятность того, что результат является статистической случайностью, снижается до менее чем одного случая на миллион.

«Такие люди, как я, работающие над этим 25 лет, не ожидали, что это произойдёт при нашей жизни», — говорит Ишак-Бушаки.

Требуется больше данных

Тем не менее исследователи предупреждают, что такие прогнозы остаются умозрительными. Многое зависит от того, действительно ли тёмная энергия меняется и если да, то что движет этой эволюцией.

«Я не собираюсь устраивать похороны стандартной космологической модели, — говорит Джесси Мьюир, космолог из Университета Цинциннати и член команды DES. — Я испытываю осторожный восторг. Это то, за чем нужно следить, что нужно проверять и что нужно действительно понять».

Следующие несколько лет будут иметь решающее значение для изучения предварительных результатов. DESI планирует продолжать сбор данных до 2026 года, чтобы составить карту более 50 миллионов галактик и квазаров и, возможно, вывести эволюционирующий сигнал тёмной энергии за пределы порога обнаружения в 5 сигм. Исследователи также планируют перепроверить результаты с помощью новых инструментов и экспериментов, в том числе в рамках таких будущих проектов, как Legacy Survey of Space and Time обсерватории Веры Рубин и космический телескоп НАСА Nancy Grace Roman. Эти инструменты позволят учёным проникнуть в пространство и время глубже, чем когда-либо прежде, и откроют беспрецедентные возможности для изучения природы тёмной энергии.

«Это даёт нам возможность вернуться к чертежной доске. И тогда мы действительно сможем узнать, какова истинная природа Вселенной, — говорит Джуно. — Я вижу огромный потенциал для новых открытий, которые ждут своего часа».