Почему физики теперь сомневаются в судьбе Вселенной

С тех пор, как мы впервые узнали, что Вселенная расширяется, один вопрос доминировал в умах тех, кто ее изучает: как все это закончится? Сегодня мы признаем, что наша Вселенная возникла из гораздо меньшего, более плотного, горячего и более однородного состояния: состояния, которое мы связываем с горячим Большим взрывом. С течением времени Вселенная расширилась, остыла и развилась, но также притягивалась: сгруппировалась и сосредоточилась, образуя сложную космическую структуру на миллионы и даже миллиарды световых лет. Сегодня, когда мы используем наши мощные инструменты для наблюдения за Вселенной — поблизости, на промежуточных расстояниях и на наибольших измеримых расстояниях — мы узнаем, из чего состоит Вселенная, и делаем выводы о ее окончательной судьбе.

Далекие судьбы Вселенной открывают ряд возможностей, но если темная энергия действительно является константой, как показывают данные, она будет продолжать следовать красной кривой, что приведет к долгосрочному сценарию, часто описываемому в книге «Начинается с взрыва». : о возможной тепловой смерти Вселенной. Однако если темная энергия может со временем усиливаться, ослабляться или менять знак, то все ставки сделаны.

В 1960-х годах мы нашли неоспоримые доказательства в поддержку горячего Большого взрыва. В 1970-х и 1980-х стало ясно, что наша Вселенная также содержит большое количество темной материи: даже больше темной материи, чем обычной. И начиная с 1990-х, мы обнаружили, что Вселенная — и ее темпы расширения — в основном определяются темной энергией, которая ведет себя как форма энергии, присущая самому пространству. Все это привело нас к потрясающему выводу: исходя из того, что мы знаем о законах физики и содержании нашей Вселенной, наша судьба будет расширяться вечно, а темная энергия сохранит постоянную плотность энергии вечно.

Но теперь, с новыми передовыми данными, мы не можем быть уверены. Вот почему физики больше не уверены в судьбе Вселенной.

Составляя карту трехмерного положения галактик на большом объеме Вселенной, ученые из коллаборации DESI обнаружили доказательства того, что сила темной энергии ослабевала (и ослабевает) с течением времени. Использование свойства барионных акустических колебаний (БАО) может стать методом исследования, который окончательно сломает Стандартную модель космологии.

В 1990-х стало довольно ясно, что наше представление о Вселенной не совсем соответствует действительности. Видите ли, закон гравитации, управляющий Вселенной — общая теория относительности Эйнштейна — говорит нам, что если мы можем измерить:

из чего состоит Вселенная,

и насколько быстро Вселенная расширяется сегодня,

мы можем использовать эту информацию, чтобы экстраполировать множество информации о самой Вселенной. Мы можем использовать это, чтобы узнать возраст Вселенной и количество времени, прошедшее с момента начала горячего Большого взрыва. Мы можем определить, как эволюционировала плотность различных видов энергии — обычного вещества, темной материи, излучения, нейтрино, пространственной кривизны, а также всего остального. И, если мы понимаем, как эти различные виды энергии ведут себя по мере расширения Вселенной, мы даже можем использовать эту информацию, чтобы предсказать судьбу Вселенной.

В начале 1990-х несколько моментов не совсем сходились. Вселенная расширялась с такой скоростью, что, если бы в ней присутствовали только вещество и излучение, это указывало бы на ее молодость: от 9 до 12 миллиардов лет, в то время как были звезды и звездные скопления, которым было ближе к 14–16 миллиардам лет. Общее количество вещества во Вселенной — обычное вещество, темная материя и даже нейтрино, все вместе — составляло лишь около ~30% от критической плотности. И эта малая информация имела огромные последствия для судьбы нашей Вселенной.

Ожидаемая судьба Вселенной (три верхних иллюстрации) соответствует Вселенной, в которой материя и энергия борются с начальной скоростью расширения. В нашей наблюдаемой Вселенной космическое ускорение вызвано неким типом темной энергии, которая до сих пор не объяснена. Все эти Вселенные управляются уравнениями Фридмана, которые связывают расширение Вселенной с различными типами материи и энергии, присутствующими в ней. Обратите внимание, как во Вселенной с темной энергией (внизу) скорость расширения совершает жесткий переход от замедления к ускорению около 6 миллиардов лет назад.

Видите ли, в науке физической космологии существуют два конкурирующих фактора, которые играют роль в расширяющейся Вселенной. С одной стороны, есть начальная скорость расширения: скорость, с которой само пространство расширяется в начале горячего Большого взрыва, когда Вселенная находится в своем самом горячем, плотном и однородном состоянии. Но, с другой стороны, есть все эффекты гравитации: тенденция материи и энергии притягивать, изгибать и искажать пространство-время и пытаться в каком-то смысле «стянуть» Вселенную обратно. Если ваша Вселенная состоит только из материи и излучения и начинается с расширения, то есть три возможности для окончательной судьбы Вселенной.

Скорость расширения слишком велика для материи и излучения во Вселенной, чтобы преодолеть их, и хотя гравитация может замедлить космическое расширение, Вселенная продолжает расширяться вечно, что приводит к сценарию тепловой смерти или так называемому Большому Замерзанию. Может произойти обратное: когда материи и излучения достаточно, чтобы пересилить начальное расширение. Вселенная расширяется, но гравитация замедляет ее, в конечном итоге останавливает и затем обращает расширение в сжатие. Этот сценарий заканчивается обратным Большому взрыву: Большим Сжатием. Или вы можете находиться в идеальном балансе между двумя сценариями: случай "Златовласки". Еще один атом во Вселенной привел бы к космическому сжатию, но в отсутствие этого атома Вселенная просто продолжала бы двигаться, поскольку скорость расширения асимптотически стремилась бы к 0. Это случай, известный как критическая Вселенная.

Измерение в прошлом времени и расстоянии (слева от "сегодня") может информировать о том, как Вселенная будет эволюционировать и ускоряться/замедляться в далеком будущем. Связывая скорость расширения с содержанием материи и энергии во Вселенной и измеряя скорость расширения, мы можем получить оценку времени, прошедшего с начала горячего Большого взрыва. Данные о сверхновых в конце 1990-х были первым набором данных, указывающим на то, что мы живем во Вселенной, богатой темной энергией, а не доминируемой материей и излучением.

Но к концу 1990-х мы получили несколько критических сведений о нашей Вселенной, которые стали сюрпризом для многих. Во-первых, героические усилия тех, кто изучает далекие сверхновые, привели к революционному набору измерений: измерениям, которые отображали соотношение красного смещения и расстояния стандартных объектов — сверхновых типа Ia — чья внутренняя яркость могла быть известна просто путем измерения света от этих сверхновых. То, насколько свет краснеет, говорит нам, насколько Вселенная расширилась с тех пор, как этот свет был испущен, в то время как большее расстояние до объекта позволяет нам заглянуть дальше в прошлое. С этими данными вместе мы можем понять, как расширялась Вселенная, и, следовательно, мы можем узнать, из чего она состоит.

Примерно в то же время мы начали получать данные об несовершенствах в остаточном свечении от Большого взрыва: космическом микроволновом фоне или СМФ. Эти измерения особенно хороши тем, что говорят нам, какова общая кривизна пространства. Если бы Вселенная состояла только из материи и излучения, то:

положительная кривизна соответствовала бы Большому Сжатию,

отрицательная кривизна соответствовала бы Большому Замерзанию,

а кривизна 0 соответствовала бы критической Вселенной.

Эти объединенные измерения — данных о сверхновых и СМФ — научили нас чему-то, чего мы никогда бы не ожидали в их отсутствие: Вселенная имеет кривизну 0, но недостаточно материи и излучения, чтобы добиться ожидаемого сценария "критической Вселенной". Вместо этого в игру вступил другой ингредиент: один, который увеличил возраст Вселенной с 9-12 миллиардов лет до примерно 14 миллиардов лет (13,8 миллиарда, чтобы быть точным).

Закрытая (голубая) или критическая Вселенная, в которой доминирует материя (зеленая), будет иметь очень короткую жизнь: 10 миллиардов лет или меньше. Поскольку возраст звезд превышает 13 миллиардов лет, в их составе должен присутствовать какой-то другой ингредиент. Вселенная, состоящая примерно на 30% из материи и примерно на 70% из темной энергии (фуксия), лучше всего соответствует данным и дает возраст Вселенной в 13,8 миллиардов лет.

Это осознание, основанное на измерениях, привело к широкому признанию темной энергии: нового вида энергии в нашей Вселенной. Что-то еще должно было быть помимо материи и излучения, иначе Вселенная не могла быть пространственно плоской. Это что-то еще не могло быть похоже на излучение, ни на материю, ни даже на пространственную кривизну, а должно было быть совершенно другим видом: одним, который не противостоял продолжающемуся расширению, а, наоборот, способствовал ему. В конце концов, данные о сверхновых указывали на то, что удаленный объект, если бы вы продолжали наблюдать его в течение длительного времени, теперь, казалось, удалялся от нас все быстрее и быстрее, а его красное смещение увеличивалось со временем.

Ранее рассматривались экзотические формы энергии, которые могли бы сделать это. Если бы Вселенная доминировалась космическими струнами, например, удаленный объект отдалялся бы с постоянной скоростью. Если бы Вселенная доминировалась доменными стенками, удаленный объект удалялся бы с увеличивающейся скоростью со временем: соответствующей ускоряющейся Вселенной. А если бы Вселенная доминировалась формой энергии, присущей самому пространству — например, космологической постоянной Эйнштейна или вакуумной энергией из квантовой теории поля — удаленный объект удалялся бы все быстрее и быстрее со временем: еще более серьезно, чем в случае с доменными стенками.

Различные компоненты и участники плотности энергии Вселенной и когда они могут доминировать. Обратите внимание, что излучение доминирует над материей примерно первые 9000 лет, затем доминирует материя, и, наконец, появляется космологическая постоянная. (Другие, такие как космические струны и доменные стенки, по-видимому, не существуют в значительных количествах.) Однако темная энергия может быть не точно космологической постоянной, но может все же варьироваться во времени примерно на ~4% или около того. Будущие наблюдения уточнят это дальше.

Это привело к сдвигу в долгосрочном космическом поиске: вместо того чтобы определить судьбу Вселенной, теперь нам нужно было определить, что на самом деле представляет собой эта новая форма энергии — названная темной энергией. В общей теории относительности существует связь между плотностью энергии любого вида энергии, ρ, и ее давлением, p. Для материи считается, что она бездавленная, где p = 0. Для излучения давление положительное и равно трети плотности энергии: p = +⅓ρ. Чтобы заставить удаленный объект отдаляться все быстрее и быстрее со временем, давление должно быть более отрицательным, чем в случае с космическими струнами, где p = -⅓ρ. Это число, которое связывает давление с плотностью энергии для любого вида, обычно называется w, где p = wρ, и это означало, что цель для темной энергии стала определением, каково на самом деле ее w. (Для тех, кому интересно, w для доменных стенок составляет -⅔, а w для космологической постоянной — -1.)

На протяжении 2000-х и начала 2010-х данные о сверхновых значительно укрепились, указывая на то, что w очень близко к -1. В то же время ученые начали надежно измерять характеристику, впечатанную колебаниями обычного вещества, темной материи и излучения в ранней Вселенной: "выступ" в корреляциях галактик, известный как барионные акустические осцилляции или BAO. Измерения BAO, анализируя, как группируются галактики во Вселенной, также позволяют нам измерить, как расширяется Вселенная со временем, и могут дать нам независимую оценку w. Из данных BAO и сверхновых вместе выглядит так, что w = -1,00, с погрешностью всего ± 0,04 или около того.

Последние ограничения из анализа Pantheon+, включающего 1550 сверхновых типа Ia, полностью согласуются с тем, что темная энергия не является ничем иным, как "ванильной" космологической постоянной. Из этой публикации 2022 года нет данных, подтверждающих ее эволюцию во времени или пространстве, но любое отклонение от w = -1 и w_a или w' равное 0 полностью изменит предполагаемую судьбу нашей Вселенной: то, что данные BAO 2024 года вдруг предполагают.

Если темная энергия действительно имеет w = -1, точно, то она ведет себя как космологическая постоянная, и судьба Вселенной известна: она переживет Большое Замерзание, и различные объекты, которые еще не были гравитационно связаны, когда темная энергия стала доминирующим фактором в космическом расширении (около 6 миллиардов лет назад) будут вечно удаляться друг от друга. Вселенная станет холодной и пустой, и в конечном итоге связанные структуры, такие как галактики, группы галактик и даже скопления галактик, не только станут изолированными, но в основном исчезнут из-за внутренних гравитационных выбросов со временем. Наша Вселенная станет холодной и одинокой.

Все это верно только при определенном наборе предположений, однако; мы предполагаем, что:

- уравнение состояния темной энергии точно w = -1,

- и что темная энергия не меняется в силе ни в пространстве, ни во времени.

В отсутствие каких-либо убедительных данных, предполагающих, что темная энергия не является чистой космологической постоянной, это разумное предположение. Но есть два доказательства, которые очень предполагают обратное. Первое появилось в конце 2010-х и укрепилось на протяжении 2020-х: наблюдение, что скорость, с которой Вселенная расширяется сегодня — то, что мы обычно называем постоянной Хаббла — зависит от того, используете ли вы метод "раннего реликта" для ее измерения, как СМФ или особенности BAO, или используете ли вы метод "расстояния по лестнице", такой как параллакс, цефеиды и сверхновые для его измерения.

Большой класс методов ранних реликвий, включающий либо СМФ, либо BAO (с особым акцентом на публикации DESI), все отдают предпочтение Вселенной, расширяющейся примерно на 67 км/с/Мпк. Хотя есть несколько групп, у которых есть отклоняющиеся значения для измерений по расстоянию лестницы (включая группу CCHP, показанную как вторая снизу точка), самые сильные измерения, например, от коллабораций SH0ES и Pantheon+, отдают предпочтение значению около 73 км/с/Мпк. Два набора значений расходятся более чем на 5 сигм.

Первый класс методов, все полагающиеся на какой-то ранний реликт, все дают ответы, которые где-то около 67 км/с/Мпк, с погрешностью всего ± 1 км/с/Мпк к ним. Второй класс методов, полагающихся на объекты, которые испускали свет в поздние времена, и этот свет затем приходил к нашим глазам, дают ответы, которые ближе к 73 км/с/Мпк, опять же с погрешностью всего ± 1 км/с/Мпк к ним. Полученные результаты согласованы между группами, использующими методологию "раннего реликта" или "расстояния по лестнице", но несовместимы между двумя группами. Это заставило многих рассматривать экзотические космологии, которые могут содержать экзотические или даже эволюционирующие виды энергии, поскольку это потенциальные кандидаты на решение этого так называемого напряжения Хаббла.

Однако еще более свежее наблюдение дало нам дополнительные основания для пересмотра судьбы Вселенной: новые данные, содержащие спектроскопическую информацию о более чем шести миллионах галактик, только что были опубликованы коллаборацией Темноэнергетического спектроскопического инструмента (DESI), и они дают нам наше самое сильное указание на то, что темная энергия может эволюционировать со временем. Их значение для постоянной Хаббла согласуется с другими методами "раннего реликта"; они находят Вселенную, состоящую только из ~30% материи (и около ~70% темной энергии), но когда они добавляют данные СМФ и/или сверхновых, они затем обнаруживают, что темная энергия, похоже, не имеет постоянной плотности энергии со временем, в конце концов.

Сырые данные из ключевых публикаций коллаборации DESI 2024 года были разделены на несколько разных красных смещений и построены в соответствии с ожиданиями от модели "ванильной" темной энергии. Особенно на промежуточных красных смещениях (между 0,5 и 1,5) эти данные не подтверждают простую, неизменяющуюся модель темной энергии, а, по-видимому, предполагают, что, возможно, темная энергия эволюционирует (и ослабевает) со временем.

Фактически, что их данные наиболее согласуются, так это со следующим сценарием: темная энергия началась, как если бы она была космологической постоянной, с w = -1 и не менялась, а затем, около 7 миллиардов лет назад, медленно и слегка начала ослабевать. Она даже может поддерживать или отдавать предпочтение сценариям, где w немного "менее отрицательно", чем -1, например, w ~ -0,8, и где оно эволюционирует, становясь еще менее отрицательным со временем. В частности, это не сверхдальние галактики, которые стимулируют отклонение от ожидаемой "ванильной" версии темной энергии, где это просто обычная старая космологическая постоянная, но галактики, найденные относительно недалеко: чей свет приходит после путешествия от 4 миллиардов до 8 миллиардов лет через космос.

Как будто эта особенность барионных акустических осцилляций (BAO), легко обнаруживаемая в крупномасштабных обзорах неба, которые спектроскопически измеряют свойства галактик, не удлинялась — особенно в последнее время — настолько, насколько можно было бы ожидать во Вселенной, где темная энергия является чистой космологической постоянной. Хотя набор данных DESI готов утроиться в относительно ближайшем будущем, а такие обсерватории, как Euclid ESA, Nancy Roman NASA и Vera Rubin NSF, послужат ценными независимыми кросс-проверками работы команды DESI, мы теперь вынуждены серьезно рассматривать, что темная энергия может быть не такой простой и однозначной, как мы предполагали на заре 21 века.

Если темная энергия не является постоянной во времени, то ее не следует описывать одним параметром, w, а скорее двумя или более параметрами, которые позволяют эволюции со временем. На этом рисунке пересечение пунктирных линий соответствует простой космологической постоянной для темной энергии; данные DESI, когда они объединены с данными СМФ и/или сверхновых, сильно отдают предпочтение эволюционирующей форме темной энергии, которая ослабевает со временем.

Вопреки тому, как работает почти все остальное в мире, ученые были бы в восторге, если бы им показали, что наше простое представление о том, как работает темная энергия — что это просто космологическая постоянная, присущая пространству, которая никогда не меняется со временем — было неверным и не соответствовало реальности того, что мы наблюдали. То, что мы называем Стандартной моделью космологии или моделью ΛCDM, почти наверняка является лишь приближением к нашей истинной физической реальности, хотя это приближение очень хорошо служило нам до сих пор. Если мы найдем наблюдательный тест, где это приближение больше не является хорошим, это почти наверняка подсказка, которая приведет нас к более богатому пониманию нашей Вселенной такой, какая она есть на самом деле.

Возможно, темная энергия на самом деле не является постоянной. Возможно, это то, что меняется и эволюционирует со временем. Если это так, наша космическая судьба может кардинально отличаться от того, что мы обычно предполагаем. Если темная энергия усиливается и становится более отрицательной со временем, это может привести к Большому Разрыву. Если она ослабевает и становится более положительной, это может потенциально остановить ускорение Вселенной и даже возродить возможность того, что мы снова сожмемся и закончим Большим Сжатием. С годами новых данных DESI, которые только ждут анализа, и десятками миллионов объектов, которые будут добавлены в их предстоящие каталоги, мы можем увидеть, что произойдет с этими намеками раньше, чем позже. Тем временем крайне важно, чтобы мы оставались открытыми ко всем возможностям, которые все еще допускают данные. В конце концов, Вселенная может оказаться более странным местом, чем кто-либо мог представить до сих пор.