Главная теория устройства Вселенной не работает: как одно открытие телескопа DESI поставило космологию в тупик

В 2024 году международная группа исследователей опубликовала самую подробную трехмерную карту Вселенной. Выяснилось, что наше понимание темной энергии — силы, заставляющей Вселенную расширяться, — скорее всего, было ошибочным. Текущие наблюдения указывают на то, что характеристики этой силы меняются со временем. Если дополнительные проверки подтвердят эти выводы, ученым предстоит полностью пересмотреть историю развития космоса.

Как формировалась Стандартная модель космологии

Чтобы понять масштаб текущей проблемы, необходимо рассмотреть, как ученые пришли к действующей модели мироздания. Этот процесс занял целый век. В 1915 году Альберт Эйнштейн представил Общую теорию относительности, которая описала гравитацию как искривление пространства-времени под воздействием массивных объектов. Поскольку в то время Вселенная считалась статичной (не расширяющейся и не сжимающейся), Эйнштейн добавил в свои уравнения специальный параметр — «космологическую постоянную». Она должна была уравновешивать силу гравитации и предотвращать сжатие Вселенной.

Однако в 1929 году астроном Эдвин Хаббл доказал, что далекие галактики удаляются друг от друга. Вселенная расширялась. После этого Эйнштейн исключил космологическую постоянную из своих уравнений, признав ее введение ошибкой.

В 1960-х годах астрономы зафиксировали реликтовое излучение — микроволновый фон, оставшийся после Большого взрыва. Это подтвердило теорию горячего начала Вселенной. По мере совершенствования телескопов в 1980-х годах возникла новая проблема: ученые подсчитали, что гравитации видимого вещества совершенно недостаточно, чтобы удерживать галактики от распада. Для решения этой проблемы физики ввели понятие «темной материи» — невидимого вещества, которое не взаимодействует со светом, но обладает массой и создает необходимую гравитацию.

Следующий переворот произошел в конце 1990-х годов. Наблюдая за взрывами далеких звезд (сверхновых), команда исследователей под руководством Адама Рисса обнаружила, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Чтобы объяснить это ускорение, физикам пришлось вернуть в уравнения космологическую постоянную Эйнштейна, переименовав ее в «темную энергию».

Так сформировалась текущая Стандартная модель космологии, получившая название ΛCDM. В этой аббревиатуре лямбда (Λ) обозначает темную энергию, а CDM (Cold Dark Matter) — холодную темную материю, состоящую из тяжелых, медленно движущихся частиц. Добавив эти два компонента к Общей теории относительности, физики получили математический аппарат, который с помощью всего шести параметров мог описать всю историю космоса.

Но у этой модели есть критический недостаток. Темная материя и темная энергия были введены в уравнения исключительно для того, чтобы теория совпадала с наблюдениями. Никто до сих пор не зафиксировал частицы темной материи напрямую. С темной энергией ситуация еще сложнее. Если рассматривать ее как энергию вакуума, возникающую из-за квантовых флуктуаций (постоянного появления и исчезновения микрочастиц в пустом пространстве), то квантовая теория предсказывает значение, которое в 10¹²⁰ раз превышает то, что астрономы видят в реальности. Это самое большое расхождение между теорией и практикой в истории физики. Пока что, темная энергия и темная материя остаются просто удобными математическими описаниями, за которыми скрываются пока неизвестные нам законы природы.

Напряжение Хаббла: первые нестыковки

Первые серьезные противоречия внутри модели ΛCDM были признаны научным сообществом в 2015 году и получили название «напряжение Хаббла». Суть проблемы заключается в том, что два разных метода измерения скорости расширения Вселенной дают разные результаты.

Первый метод основан на изучении реликтового излучения ранней Вселенной. Используя Стандартную модель, ученые рассчитывают, с какой скоростью пространство должно расширяться сегодня. Получается значение около 67 километров в секунду на мегапарсек.

Второй метод — это прямое измерение скорости удаления соседних галактик с помощью наблюдения за пульсирующими звездами и сверхновыми. Этот метод дает значение около 73 километров в секунду на мегапарсек.

Эти цифры не совпадают. Долгое время большинство космологов отказывалось отказываться от Стандартной модели. Они предполагали, что расхождение вызвано скрытыми системными ошибками в калибровке телескопов или сложностью самих измерений. Считалось, что процесс измерения расстояний до галактик включает в себя слишком много допущений, чтобы делать окончательные выводы.

Однако за прошедшее десятилетие измерения были многократно перепроверены, в том числе с помощью новейшего космического телескопа «Джеймс Уэбб». Ошибок в расчетах не найдено, а расхождение между двумя методами только увеличилось. Так что возможно ученые просто не хотят отказываться от удобной теории, потому что им некомфортно работать без готовой модели. Чтобы сдвинуться с мертвой точки, физикам требовались новые, более точные данные.

Проект DESI и разрушение константы

Инструментом, который позволил получить эти данные, стал Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI), установленный в Аризоне, США. Эта установка оборудована 5000 роботизированными оптоволоконными кабелями, которые автоматически наводятся на далекие галактики. Телескоп работает гораздо быстрее предыдущих систем и способен собирать спектральные данные миллионов объектов.

С 2021 года DESI измеряет так называемое красное смещение — физическое растяжение световых волн, которое происходит из-за того, что галактики удаляются от Земли вместе с расширяющимся пространством. Чтобы точно рассчитать расстояние до этих галактик, исследователи используют метод барионных акустических осцилляций (БАО).

Суть этого метода следующая: в ранней, чрезвычайно горячей и плотной Вселенной существовали сильные акустические волны. Они перемещали материю, создавая зоны повышенной плотности. Когда Вселенная расширилась и остыла, эти зоны уплотнения зафиксировались. Сегодня галактики формируются именно в этих зонах. Расстояние между такими скоплениями галактик является строго определенным. Для астрофизиков это расстояние служит точной космической линейкой. Сравнивая видимое расстояние между галактиками на разных этапах существования Вселенной с этой линейкой, можно очень точно реконструировать историю расширения космоса.

В марте 2025 года команда DESI представила анализ данных по 15 миллионам галактик, собранных за три года. Когда ученые объединили эту информацию с данными по локальным сверхновым и реликтовому излучению, они обнаружили, что Стандартная модель больше не работает. Математические параметры сошлись только после того, как физики разрешили темной энергии менять свою силу с течением времени. Данные показали: темная энергия не является константой, в настоящий момент ее отталкивающая сила слабеет.

Кроме того, результаты DESI указывают на то, что в ранней Вселенной параметры темной энергии могли выходить за пределы, установленные математическими ограничениями космологической постоянной, а затем снова возвращаться в норму.

На данном этапе статистическая значимость этих выводов составляет 4,2 сигмы. В физике для безоговорочного признания открытия требуется уровень в 5 сигм (что означает вероятность случайного совпадения один к нескольким миллионам). Из-за этого часть научного сообщества относится к результатам с осторожностью. Например, Джордж Эфстатиу из Кембриджского университета опубликовал работу, в которой утверждает, что статистический анализ команды DESI изначально опирался на параметры, которые искусственно отдавали предпочтение нестандартным моделям темной энергии.

Тем не менее, метод барионных акустических осцилляций считается одним из самых надежных в современной астрономии. Оспорить его данные гораздо сложнее, чем измерения по отдельным звездам. В августе 2025 года Адам Рисс и астрофизик Алекси Лото заявили, что научное сообщество наблюдает процесс распада модели ΛCDM и должно готовиться к разработке новой физики.

Как может выглядеть новая физика

Если темная энергия действительно меняется, перед теоретиками встает сложнейшая задача: описать ее природу без использования понятия «вакуумной энергии». В настоящее время существует несколько гипотез, но ни одна из них не является безупречной.

Самое простое математическое решение — представить темную энергию не как свойство пустого пространства, а как отдельное физическое поле (по аналогии с электромагнитным полем). Проблема этой версии заключается в необходимости «тонкой настройки». Уравнения придется искусственно подгонять так, чтобы плотность этого поля начала меняться именно в последние несколько миллиардов лет, а не в любую другую эпоху. Более того, концепция поля не может полностью объяснить сложные колебания энергии в ранней Вселенной.

Вторая группа теорий предполагает, что темная энергия взаимодействует с гравитацией или с темной материей. В таких моделях происходит передача энергии: обычная или темная материя по мере расширения пространства распадается, передавая свою энергию темной энергии. Это объясняет, почему плотность последней может возрастать, а затем падать. Данная концепция привлекательна тем, что она математически связывает две главные загадки космологии (темную материю и темную энергию) в единый процесс.

Однако у этих теорий есть серьезные противоречия с наблюдаемой реальностью. Если темная энергия и материя обмениваются силами, это взаимодействие должно фиксироваться на локальном уровне — например, оно влияло бы на орбиты планет в Солнечной системе. Существующие астрономические наблюдения таких отклонений не подтверждают. Кроме того, постоянный переток энергии в таких масштабах может нарушать фундаментальный закон сохранения энергии-импульса. На данный момент у научного сообщества нет реального понимания того, как физически обосновать новые данные.

Переходный период в науке

Исследователям не следует пытаться искусственно модифицировать старую модель ΛCDM, чтобы она соответствовала новым данным. Вместо этого необходимо признать, что старая концепция исчерпала себя. Философ Томас Кун называл такие периоды в науке сменой парадигмы — временем, когда накопившиеся аномалии разрушают старую теорию, а новая еще не сформирована.

Проблема заключается в том, что многие физики строили свои карьеры на изучении ΛCDM. В физике элементарных частиц принято считать, что правильная теория должна быть математически элегантной и простой. Этот подход может не работать в масштабах всей Вселенной, которая устроена гораздо сложнее, чем базовая математическая формула. Возможно, в будущем ученым придется оперировать уравнениями, включающими несколько разных видов темной энергии, несколько типов темной материи и модифицированные законы гравитации на космических расстояниях.

Окончательный ответ должны дать новые масштабные наблюдения. Проект DESI продолжает сбор информации, следующая публикация данных запланирована на 2027 год. Параллельно с этим астрофизики анализируют первые массивы данных, поступающие с европейского космического телескопа Euclid и обсерватории Веры Рубин в Чили. Эти инструменты позволят измерить расширение Вселенной на более ранних этапах ее существования.

Однако есть вероятность, что новые данные не приведут к созданию одной четкой теории, а лишь предложат множество сложных математических моделей, которые будут одинаково хорошо описывать наблюдения. Это может привести к периоду длительных научных споров. Сопротивление защитников старой теории абсолютно нормально для научного процесса. Тщательная взаимная проверка данных между сторонниками постоянной и динамической темной энергии — это именно тот механизм, который в итоге позволит космологии выйти из кризиса и сформулировать новые законы работы Вселенной.