Эйнштейн берет реванш: как один тест на согласованность закрыл «самое громкое открытие года» о темной энергии

В начале 2024 года в научном сообществе произошло событие, которое многие поспешили назвать началом новой революции в космологии. Данные, полученные с помощью новейшего астрономического прибора DESI (Спектроскопического инструмента темной энергии), указали на то, что наши базовые представления об устройстве Вселенной могут быть неверными.

Согласно общепринятой научной модели, наша Вселенная расширяется с ускорением. За это ускорение отвечает так называемая темная энергия — невидимая сила, которая равномерно заполняет все пространство. Физики традиционно считают её постоянной величиной. Эту гипотезу еще в начале XX века предложил Альберт Эйнштейн, введя в свои уравнения космологическую константу. Постоянство темной энергии означает, что в каждом кубическом сантиметре пространства её всегда содержится одно и то же количество, независимо от того, насколько сильно Вселенная расширилась.

Однако измерения DESI показали другое. Ученые заявили, что плотность темной энергии, возможно, постепенно уменьшается с течением времени. Если бы это подтвердилось, это означало бы, что Вселенную в будущем ждет совсем другой финал, а теоретическую физику пришлось бы полностью переписать.

Любое громкое заявление в науке подвергается независимой проверке. Недавно группа исследователей из Института фундаментальных исследований Тата в Индии опубликовала детальный разбор этих данных. Их выводы показывают, что революции, скорее всего, нет, а обнаруженный сигнал об изменении темной энергии — это результат незамеченной погрешности при совмещении разных каталогов наблюдений.

Как измеряют расстояния в космосе

Чтобы понять, почему возникла эта ошибка, необходимо разобраться в методах, с помощью которых астрофизики определяют расстояния до удаленных объектов. В масштабах космоса невозможно измерить расстояние напрямую, поэтому ученые полагаются на физические свойства световых волн, которые идут к нам миллиарды лет.

Существует два основных независимых метода измерения космических расстояний на больших масштабах.

Метод измерения по светимости (сверхновые звезды)

Этот способ использует термоядерные взрывы звезд, известные как сверхновые типа Ia. Процессы, происходящие при таких взрывах, подчиняются строгим физическим законам, благодаря чему пиковая светимость этих звезд практически одинакова. Зная реальную мощность этого источника света, физики могут рассчитать расстояние до него по его видимой яркости на Земле: чем тусклее выглядит объект, тем дальше он находится. Полученное таким способом значение называют фотометрическим расстоянием.

Метод измерения по угловому размеру (структура Вселенной)

Этот способ основан на поиске крупномасштабных структур в распределении вещества во Вселенной. В ранний период существования космоса в горячей плазме распространялись звуковые волны. Когда Вселенная остыла, эти волны зафиксировались, оставив после себя гигантские сферические уплотнения из скоплений галактик. Физический масштаб этих уплотнений ученым точно известен. Измеряя угловой размер этих структур на ночном небе сегодня, ученые рассчитывают угловое расстояние до них.

В теоретической физике существует фундаментальный закон — теорема дуальности расстояний Этерингтона, сформулированная еще в 1933 году. Согласно этому закону, расстояние, рассчитанное по яркости объекта, и расстояние, рассчитанное по его видимому угловому размеру, должны быть пропорциональны друг другу на любом этапе развития Вселенной. Это математическое правило выполняется всегда, если свет распространяется свободно и его частицы (фотоны) не теряются и не поглощаются по дороге.

Суть конфликта в данных

Авторы нового исследования провели проверку баз данных, которые использовались для заявления о меняющейся темной энергии. Они взяли результаты измерений угловых расстояний от проекта DESI и объединили их с крупнейшим каталогом сверхновых звезд Pantheon+, содержащим данные по яркости объектов.

Анализ показал серьезное противоречие: данные из этих двух независимых источников нарушают закон дуальности расстояний Этерингтона. Два метода измерения дают расходящиеся результаты, причем это расхождение систематически нарастает по мере того, как мы смотрим на более далекие объекты, свет от которых шел к нам дольше.

На практике это означает, что данные из двух каталогов не согласуются друг с другом. Сверхновые звезды на больших расстояниях выглядят более тусклыми, чем должны быть, исходя из масштабов структур, измеренных методом угловых размеров.

Как математический алгоритм создал иллюзию открытия

Когда космологи строят модель Вселенной, они используют специальные компьютерные программы для совместного анализа данных. Задача алгоритма — подобрать такие параметры модели (скорость расширения, плотность материи и свойства темной энергии), при которых теоретические графики будут максимально близко проходить через реальные точки наблюдений.

Однако если загрузить в программу два массива данных, которые содержат внутреннее противоречие, алгоритм сталкивается с математическим конфликтом. Программа не знает, что в измерениях присутствует неучтенная систематическая ошибка. Она обязана найти компромиссное математическое решение, которое сгладит разницу между точками из разных каталогов.

В стандартных формулах расширения Вселенной нет специальной переменной, которая отвечала бы за расхождение калибровок приборов. Единственным свободным параметром, регулируя который программа может примирить нестыковку шкал расстояний, оказываются свойства темной энергии.

Чтобы подогнать теоретическую кривую под противоречивые данные, алгоритм начинает изменять уравнение состояния темной энергии, делая её плотность убывающей со временем. Компьютер делает это исключительно ради снижения общей математической погрешности расчетов. Таким образом, вывод о «динамической темной энергии» оказался искусственным следствием попытки совместить несовместимые данные.

Устранение ошибки с помощью поправки

Чтобы доказать это утверждение, индийские астрофизики скорректировали расчетную модель. Они добавили в уравнения совместного анализа новый параметр — поправочный коэффициент D(z), который описывает возможное отклонение от закона дуальности расстояний.

Введение этого коэффициента позволило алгоритму компенсировать несогласованность данных по яркости сверхновых и угловым размерам напрямую, не затрагивая при этом физические свойства пространства-времени.

Результаты расчетов изменились. Как только программа получила возможность математически скорректировать разницу шкал расстояний между двумя каталогами, необходимость в изменении плотности темной энергии полностью исчезла. Статистический анализ показал, что плотность темной энергии остается постоянной во времени. Полученные результаты полностью соответствуют классической модели Вселенной с космологической константой Эйнштейна.

Физические причины расхождения данных

Поскольку нарушение закона дуальности расстояний указывает на наличие неучтенной систематической погрешности, физики выделили несколько вероятных причин этого расхождения, которые лежат в рамках известной физики:

1. Эволюция характеристик сверхновых звезд. Ученые исходят из предположения, что сверхновые типа Ia взрываются с одинаковой мощностью во все эпохи. Однако самые далекие из наблюдаемых звезд взрывались миллиарды лет назад. В то время вещество Вселенной содержало значительно меньше тяжелых химических элементов, так как предыдущие поколения звезд еще не успели их синтезировать. Изменение химического состава могло повлиять на физику взрыва, сделав древние сверхновые изначально чуть менее яркими. Если они были слабее, то ученые неверно рассчитывают расстояние до них, считая их более далекими, чем они есть на самом деле.
2. Влияние межгалактической пыли. Пространство между галактиками не абсолютно пусто, в нем присутствует разреженная пыль. Проходя через нее, свет от далеких сверхновых частично поглощается и рассеивается. В результате объекты выглядят более тусклыми. Если используемые модели распределения пыли неточны, это приводит к систематическому завышению фотометрического расстояния до сверхновых.
3. Проблемы взаимной калибровки инструментов. Каталог Pantheon+ объединяет данные, полученные различными телескопами на протяжении нескольких десятилетий. Каждый прибор имеет свои особенности оптики, чувствительности сенсоров и методов обработки данных. Даже минимальные погрешности при сведении этих данных в единый каталог могут приводить к искажениям результатов на больших красных смещениях.

Существуют и альтернативные гипотезы, предполагающие влияние неизвестных физических процессов — например, переход фотонов в гипотетические аксионоподобные частицы при движении через магнитные поля, что снижало бы измеряемую яркость объектов. Однако авторы работы подчеркивают, что классические инструментальные и астрофизические погрешности калибровки шкал расстояний выглядят более вероятным объяснением.

Выводы для будущих исследований

Современная космология перешла на этап, когда ключевые выводы делаются на основе сверхточных измерений огромных массивов информации. В этих условиях основным источником ошибок становится не случайный шум в измерениях, а скрытые систематические расхождения между различными методами наблюдений.

Данная работа показывает, что механическое объединение независимых баз данных без предварительной проверки их на взаимную согласованность может приводить к ложным выводам фундаментального масштаба. Компьютерные алгоритмы способны компенсировать ошибки калибровки приборов, создавая иллюзию открытия новых законов природы.

Прежде чем вносить изменения в уравнения общей теории относительности и пересматривать устоявшиеся космологические модели, научному сообществу необходимо детально исследовать источники систематических погрешностей в существующих экспериментальных данных. Стандартная космологическая модель с постоянной плотностью темной энергии продолжает оставаться наиболее простым и математически обоснованным описанием наблюдаемой Вселенной.

Источник: arXiv