Темная энергия: меняется ли «космическая константа» со временем?

Космология, наука о Вселенной, всегда была тесно связана с тайнами. Еще несколько десятилетий назад мы не могли с уверенностью сказать, из чего состоит наш мир, и спорили о фундаментальных принципах его устройства. Открытие реликтового излучения в 60-х годах, своеобразного эха Большого взрыва, стало отправной точкой для новых исследований, но многие вопросы оставались без ответа.

Начало 90-х годов ознаменовалось запуском амбициозного проекта — Слоановского цифрового небесного обзора (SDSS). Цель проекта — составить трехмерную карту Вселенной, измерив «красное смещение» миллионов галактик. Красное смещение — это изменение длины волны света, вызванное движением источника относительно наблюдателя. По сути, это космический «спидометр», позволяющий определить скорость удаления галактик от нас и, следовательно, расстояние до них.

SDSS выявил неожиданную «комковатость» Вселенной. Галактики оказались неравномерно распределены, образуя огромные скопления — суперкластеры, протяженностью в десятки миллионов световых лет. Возник вопрос: как из изначально однородного реликтового излучения могли сформироваться такие структуры? Ответ на этот вопрос напрямую связан с количеством и типом материи во Вселенной.

К началу 2000-х годов SDSS достиг своей цели, зафиксировав данные о миллионах галактик. Была открыта «Великая стена Слоуна» — одна из крупнейших известных космических структур, простирающаяся на миллиард световых лет. Вместе с данными о реликтовом излучении и наблюдениями за сверхновыми типа Ia (SNeIa) — особыми типами взрывающихся звезд — это привело к революционному открытию: темной энергии.

Оказалось, что привычная нам материя составляет всего 5% Вселенной. 25% приходится на темную материю — загадочную субстанцию, не взаимодействующую со светом. Оставшиеся 70% - это темная энергия, своего рода «антигравитация», заставляющая Вселенную расширяться с ускорением. Эта концепция, впервые предложенная Эйнштейном в виде космологической постоянной, была им же отвергнута как «величайшая ошибка». Но, как показали исследования, Эйнштейн, возможно, поторопился с выводами.

Современная космология подтверждает доминирование темной энергии. Более того, новые данные обзора темной энергии (DES) уточняют ее долю до 68,5%, при этом доля всей материи (темной и обычной) составляет 31,5%. Погрешность этих измерений — всего 3%.

Однако происхождение темной энергии остается загадкой. Почему большая часть Вселенной состоит из невидимой силы, действующей против гравитации? Этот вопрос — главный вызов для современной физики.

В 2024 году появились новые данные, полученные с помощью двух независимых методов: наблюдений за сверхновыми типа Ia (SNeIa) и анализа барионных акустических осцилляций (BAO) — «застывших» звуковых волн в ранней Вселенной. Оба метода позволяют отследить историю расширения Вселенной.

Результаты DES, основанные на наблюдениях за тысячами сверхновых, в целом согласуются с моделью космологической постоянной, но допускают и возможность изменения темной энергии во времени.

Еще более интригующие результаты получены с помощью спектроскопического прибора темной энергии (DESI) — преемника SDSS. DESI создал самую детальную на сегодняшний день карту космоса. Анализ BAO, проведенный DESI, в сочетании с данными DES о сверхновых, указывает на вероятность изменения темной энергии во времени с достоверностью 3,9 сигма. Это значит, что вероятность случайного совпадения — всего 0,6%.

Конечно, ученые всегда настроены скептически. Для признания нового открытия в физике элементарных частиц требуется достоверность 5 сигма — меньше одного шанса из миллиона ошибиться. Но полученные данные — это серьезный повод задуматься.

Если темная энергия действительно меняется со временем, это может означать, что сейчас ее меньше, чем в прошлом. Возможно, мы наблюдаем закат эпохи ускоренного расширения Вселенной.

Изменчивость темной энергии ставит под сомнение ее интерпретацию как космологической постоянной, связанной с энергией вакуума. Квантовая механика предсказывает ненулевую энергию вакуума, но ее величина не соответствует наблюдаемым значениям на много порядков. Возможно, открытие непостоянства темной энергии поможет разрешить это противоречие между квантовой механикой и космологией.

В ближайшие годы нас ждет поток новых данных от космических обсерваторий, таких как Euclid и Rubin Observatory, а также от наземных телескопов, включая DESI. Объединение этих данных позволит подтвердить или опровергнуть гипотезу об изменчивости темной энергии.

Мы стоим на пороге новой эры в космологии. Ответы на фундаментальные вопросы о природе темной энергии могут привести к пересмотру базовых принципов нашего понимания Вселенной. Это время новых открытий и смелых гипотез. Время, когда космология вновь становится наукой о величайших тайнах мироздания.