Темная энергия, загадочная сила, которая, как считается, вызывает ускоренное расширение Вселенной, долгое время оставалась одной из глубочайших загадок современной физики. До недавнего времени ведущая гипотеза предполагала, что эта энергия постоянна – неизменное свойство пустого пространства, ответственное за космическое ускорение. Однако свежие данные заставляют ученых пересмотреть это предположение.
Еще в прошлом году результаты исследований Dark Energy Survey (DES) и Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) привлекли внимание космологов, указывая на то, что темная энергия, возможно, вовсе не является фиксированной величиной. «Это могло бы стать нашим первым признаком того, что темная энергия – это не космологическая постоянная, введенная Эйнштейном более 100 лет назад, а новое, динамическое явление», – пояснил почетный профессор астрономии и астрофизики Джош Фрайман.
В сентябре в журнале *Physical Review D* было опубликовано исследование, в котором профессор Фрайман и Ановар Шаджиб, сотрудник программы NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow в области астрономии и астрофизики, проанализировали широкий спектр существующих космологических данных. Их выводы указывают на то, что динамические, изменяющиеся во времени модели темной энергии лучше соответствуют текущим наблюдениям, чем давняя модель космологической постоянной.
Специализация Шаджиба включает наблюдательную космологию и эволюцию галактик, где он использует сильное гравитационное линзирование для измерения постоянной Хаббла и уточнения параметров темной энергии. Работа Фраймана также сосредоточена на наблюдательной космологии, опираясь на крупномасштабные обзоры неба, такие как Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и DES, для изучения происхождения, структуры и судьбы Вселенной, а также для исследования загадочной силы, управляющей ее ускоренным расширением.
По словам Фраймана, известно точно, сколько темной энергии содержится во Вселенной, но физического понимания ее природы пока нет. Самая простая гипотеза заключается в том, что это энергия самого пустого пространства, и в этом случае она была бы неизменной во времени – представление, восходящее к Эйнштейну, Леметру, де Ситтеру и другим ученым начала прошлого века. «Немного неловко, что у нас практически нет ни малейшего представления о том, что составляет 70 процентов Вселенной. И чем бы она ни была, именно она определит ее будущее развитие», – подчеркнул ученый.
Хотя интерес к динамической природе темной энергии сохранялся с момента ее открытия в 1990–х годах для разрешения некоторых наблюдательных расхождений, до недавних пор большинство крупных и надежных наборов данных согласовались с моделью неэволюционирующей темной энергии, которая принята как стандартная космологическая модель. Однако, как отмечает Шаджиб, интерес к эволюционирующей темной энергии вновь возродился в прошлом году благодаря комбинации данных о сверхновых, барионных акустических осцилляциях и космическом микроволновом фоне, полученных в ходе экспериментов DES, DESI и Planck. Эта комбинация данных выявила сильное расхождение со стандартной, неэволюционирующей моделью темной энергии. Интересная особенность неэволюционирующей темной энергии заключается в том, что ее плотность остается постоянной во времени, даже несмотря на расширение пространства. Однако для эволюционирующей модели плотность темной энергии будет изменяться.
Фрайман добавил, что данные этих обзоров позволяют вывести историю космического расширения – насколько быстро Вселенная расширялась в разные эпохи в прошлом. Если темная энергия эволюционирует со временем, эта история будет отличаться от случая, когда темная энергия постоянна. Результаты истории космического расширения предполагают, что за последние несколько миллиардов лет плотность темной энергии уменьшилась примерно на 10 процентов – это немного, и намного меньше, чем плотности другой материи и энергии, но все же значительно.
Целью нового исследования было сравнение предсказаний *физической* модели эволюционирующей темной энергии с новейшими наборами данных и определение *физических* свойств темной энергии на основе этого сравнения. «Модель» эволюционирующей темной энергии, используемая в большинстве предыдущих анализов данных, представляла собой лишь математическую формулу, не ограниченную поведением, характерным для физических моделей. В своей работе ученые напрямую сравнили физически обоснованные модели эволюционирующей темной энергии с данными и обнаружили, что эти модели лучше описывают текущие данные, чем стандартная, неэволюционирующая модель темной энергии. Они также показали, что будущие обзоры, такие как DESI и Обзор неба Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерватории имени Веры Рубин, смогут окончательно подтвердить, являются ли эти модели корректными или же темная энергия действительно постоянна.
Эти передовые модели основаны на теориях физики элементарных частиц о гипотетических частицах, называемых аксионами. Аксионы были впервые предсказаны физиками в 1970–х годах, которые стремились объяснить определенные наблюдаемые особенности сильных взаимодействий. Сегодня аксионы считаются вероятными кандидатами на роль темной материи, и эксперименты по всему миру активно ищут их, включая исследования физиков в Фермилабе и Чикагском университете.
Модели, представленные в данной статье, основаны на другой, ультралегкой версии аксиона, которая действовала бы как темная энергия, а не как темная материя. В этих моделях темная энергия действительно будет оставаться постоянной в течение первых нескольких миллиардов лет космической истории, но затем аксион начнет эволюционировать – «подобно шару на наклонном поле, который высвобождается из состояния покоя и начинает катиться» – и его плотность будет медленно уменьшаться, что, по-видимому, подтверждают данные. Таким образом, данные свидетельствуют о существовании новой частицы в природе, которая примерно на 38 порядков легче электрона.
Шажиб отмечает, что в таких моделях плотность темной энергии уменьшается со временем. Темная энергия является причиной ускоренного расширения Вселенной, поэтому, если ее плотность уменьшается, ускорение также будет со временем снижаться. Если рассматривать очень далекое будущее Вселенной, различные характеристики темной энергии могут привести к различным исходам. Две крайности этих исходов – это «Большой Разрыв» (Big Rip), когда ускоренное расширение само по себе ускоряется до такой степени, что разрывает все на части, даже атомы, и «Большое Сжатие» (Big Crunch), когда Вселенная в какой–то момент останавливает расширение и снова схлопывается, что будет выглядеть как обратный Большой Взрыв. Новые модели предполагают, что Вселенная избежит обеих этих крайностей: она будет подвергаться ускоренному расширению в течение многих миллиардов лет, приводя к холодной, темной Вселенной – «Большому Замерзанию» (Big Freeze).
На вопрос о менее очевидных практических последствиях, Фрайман ответил, что единственные практические последствия, которые он может представить, – это технологии, необходимые для дальнейшего изучения этих идей. Например, создание новых телескопов, запуск новых спутников или разработка новых детекторов. Такие разработки, вероятно, окажут гораздо большее влияние на нашу жизнь, чем события, происходящие через триллионы лет в будущем.
Наибольшее волнение у Шаджиба вызывает то, что для этой работы были собраны все основные наборы данных – из DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, *Planck* и Atacama Cosmology Telescope – и объединены для получения наиболее точного измерения темной энергии на сегодняшний день. «Все эти измерения получены в ходе обширных экспериментов, поэтому в некотором смысле они представляют собой коллективное знание, которое было накоплено космологическим сообществом в целом», – сказал он.
Фрайман вспоминает, что в 2003 году, когда начиналась работа над DES, цель состояла в том, чтобы ограничить свойства темной энергии и определить, является ли она постоянной или изменяющейся. В течение двух десятилетий данные указывали на ее постоянство. «Мы почти отказались от этого вопроса, потому что данные постоянно поддерживали предположение. Однако теперь у нас есть первый за более чем 20 лет намек на то, что темная энергия может меняться, и если она действительно эволюционирует, то это должно быть нечто новое, что изменит наше понимание фундаментальной физики», – поделился он. Это ощущение, по его словам, напоминает то, что было в самом начале. Возможно, эти намеки окажутся неверными, но есть вероятность, что мир стоит на пороге ответа на этот вопрос, и это весьма волнующе.
