С начала XX века учёные собрали убедительные доказательства того, что Вселенная расширяется, причём это расширение ускоряется. Ответственность за это ускорение несёт так называемая тёмная энергия — загадочное свойство пространства-времени, которое, как считается, расталкивает галактики. Десятилетиями преобладающая космологическая модель, известная как лямбда-CDM (ΛCDM), предполагала, что тёмная энергия остаётся неизменной на протяжении всей космической истории. Эта простая, но мощная гипотеза служила краеугольным камнем современной космологии. Однако она оставляла без ответа ключевой вопрос: что, если тёмная энергия меняется со временем, а не остаётся фиксированной?
Недавние наблюдения начали ставить под сомнение эту давнюю точку зрения. Данные, полученные с помощью спектроскопического инструмента тёмной энергии DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — передового проекта, картографирующего распределение галактик по Вселенной — указывают на возможность существования динамической тёмной энергии (DDE). Такое открытие ознаменовало бы значительный отход от стандартной модели ΛCDM. Хотя это и указывает на более сложную и развивающуюся космическую историю, оно также выявляет серьёзный пробел в понимании: остаётся неясным, как зависящая от времени тёмная энергия может формировать возникновение и рост космических структур.
Чтобы исследовать эту загадку, команда под руководством доцента Томоаки Ишиямы из Совета по улучшению цифровой трансформации Университета Тиба в Японии провела одно из самых обширных космологических моделирований в истории. Среди соавторов исследования были Франсиско Прада из Института астрофизики Андалусии в Испании и Анатолий А. Клыпин из Университета штата Нью-Мексико в США. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review D (том 112, выпуск 4), изучала, как изменяющаяся во времени тёмная энергия может влиять на эволюцию космоса и помогать интерпретировать будущие астрономические наблюдения.
Используя флагманский японский суперкомпьютер Fugaku, исследователи выполнили три крупномасштабных N-частичных моделирования высокого разрешения, каждое с вычислительным объёмом в восемь раз большим, чем в предыдущих работах. Одно моделирование следовало стандартной модели ΛCDM Planck-2018, в то время как два других включали динамическую тёмную энергию. Сравнивая модель DDE с фиксированными параметрами со стандартной моделью, они смогли изолировать эффекты изменяющегося компонента тёмной энергии. Третье моделирование использовало параметры, полученные из данных первого года DESI, показывая, как могла бы вести себя «обновлённая» космологическая модель, если тёмная энергия действительно меняется со временем.
Результаты показали, что влияние одних только вариаций тёмной энергии было относительно незначительным. Однако, как только исследователи скорректировали космологические параметры в соответствии с данными DESI — в частности, увеличив плотность материи примерно на 10% — различия стали поразительными. Более высокая плотность материи усиливает гравитационное притяжение, что ускоряет формирование массивных скоплений галактик. В этом сценарии модель DDE на основе DESI предсказывала на целых 70% больше массивных скоплений в ранней Вселенной, чем стандартная модель. Эти скопления образуют космический каркас, на котором собираются галактики и группы галактик.
Команда также изучила барионные акустические осцилляции (BAO) — паттерны, оставленные звуковыми волнами в ранней Вселенной, которые служат «космическими линейками» для измерения расстояний. В моделировании DDE, полученном на основе данных DESI, пик BAO сместился на 3,71% в сторону меньших масштабов, что точно соответствует фактическим наблюдениям DESI. Это сильное совпадение подтвердило, что модель не только отражает теоретические предсказания, но и хорошо согласуется с реальными данными.
Кроме того, исследователи проанализировали, как галактики группируются по всему космосу. Модель DDE на основе DESI показала заметно более сильную кластеризацию, чем стандартная версия ΛCDM, особенно на меньших масштабах. Усиленная кластеризация является прямым результатом более высокой плотности материи, которая усиливает гравитационную связь. Это тесное соответствие между моделированием и наблюдением дополнительно подтверждает обоснованность динамической модели тёмной энергии.
В целом, выводы команды проясняют, как тёмная энергия и плотность материи формируют крупномасштабную структуру Вселенной. Доктор Ишияма подчёркивает: «Наши масштабные симуляции демонстрируют, что вариации космологических параметров, особенно плотности материи во Вселенной, оказывают большее влияние на формирование структур, чем сам компонент динамической тёмной энергии».
На пороге новых наблюдательных кампаний эти симуляции сыграют решающую роль в интерпретации будущих результатов. «В ближайшем будущем крупномасштабные обзоры галактик с помощью спектрографа Subaru Prime Focus и DESI, как ожидается, значительно улучшат измерения космологических параметров. Эта работа обеспечивает теоретическую основу для интерпретации таких предстоящих данных», — заключает доктор Ишияма.
