В Аризоне, в Национальной обсерватории Китт-Пик, телескоп провел три года, создавая трехмерную карту небес. Изучая свет десятков миллионов галактик, инструмент Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) мог обнаружить нечто удивительное.
DESI, как следует из его названия, предназначен для изучения природы темной энергии — загадочной субстанции, составляющей 68% Вселенной и вызывающей её ускоренное расширение. До недавнего времени ученые считали, что плотность темной энергии оставалась постоянной с момента зарождения Вселенной 13,7 миллиардов лет назад. Однако первые результаты работы DESI предполагают, что это предположение могло быть неверным. Ученые из DESI утверждают, что плотность темной энергии могла изменяться со временем. «Это очень странно», — говорит Драган Хутерер из Мичиганского университета, участвовавший в исследовании. Если эти результаты подтвердятся, это приведет к серьезному пересмотру космологических моделей.
Изучение темной энергии — относительно новое направление. Прямых доказательств её существования не было до 1998 года, когда ученые обнаружили, что сверхновые звезды удаляются от Земли быстрее, чем ожидалось. Это открытие показало, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с ускорением. «Люди не ожидали такого», — говорит Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса, лауреат Нобелевской премии по физике за это открытие в 2011 году.
Темная энергия остается одной из самых загадочных субстанций во Вселенной. Основная гипотеза гласит, что это энергия вакуума, связанная с пустым пространством, которое, по квантовой теории, не является совершенно пустым, а наполнено кратковременными частицами и античастицами. Эти взаимодействия производят «энергию вакуума», которая может раздвигать пространство. Однако, расчеты плотности этой энергии не согласуются с наблюдениями, создавая так называемую «катастрофу вакуума». «Общее мнение заключается в том, что для разрешения этой проблемы потребуется фундаментально новое понимание», — говорит доктор Хутерер.
Темная энергия является одним из двух столпов стандартной модели космологии, наряду с темной материей, которая составляет 27% Вселенной. Обычная материя, такая как звезды и галактики, составляет лишь 5%. Согласно стандартной модели, после Большого взрыва гравитационное притяжение атомов формировало звезды и галактики, замедляя расширение Вселенной. Однако, по мере увеличения пустого пространства, темная энергия стала доминировать, вызывая ускоренное расширение, наблюдаемое четверть века назад.
Ожидается, что расширение Вселенной продолжится вечно, и галактики постепенно исчезнут из вида друг друга — судьба, известная как Большое Замораживание. Но если, как предполагает DESI, плотность темной энергии изменяется, могут возникнуть другие сценарии. Все более плотная темная энергия может привести к Большому Разрыву, когда атомы и пространство-время будут разорваны. Напротив, уменьшение плотности темной энергии может вызвать сжатие Вселенной в Большое Сжатие. (Не стоит беспокоиться — Солнце поглотит Землю задолго до этих событий.)
Предварительные результаты DESI были объявлены на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнии в апреле, вскоре после публикации серии статей на сервере препринтов arXiv. Эти статьи включали данные за первый год пятилетнего исследования DESI. Основная задача инструмента — составить карту распределения галактик в космосе, что позволяет космологам исследовать эволюцию темной энергии на протяжении миллиардов лет.
Результаты DESI предполагают, что плотность темной энергии увеличивалась до примерно 4 миллиардов лет назад, а затем начала уменьшаться. Никто не может объяснить, почему.
Если эти результаты подтвердятся, это потребует полной переоценки природы темной энергии. «Если темная энергия изменяется во времени, это больше не энергия вакуума», — говорит Бхувнеш Джайн из Пенсильванского университета. В центре альтернативных гипотез — поле темной энергии, называемое квинтэссенцией, которое может изменяться со временем. Однако текущие данные DESI указывают на нечто более сложное, чем простые модели квинтэссенции.
Это также означало бы, что стандартная модель космологии больше не актуальна. Результаты DESI вызывают тревогу, но это не единственные проблемы модели. Например, материя в близлежащей Вселенной скапливается меньше, чем должна, и ранняя Вселенная была менее однородной, чем предсказывает модель.
Разные команды также измерили разные значения постоянной Хаббла, что означает, что космологи не до конца понимают историческое расширение Вселенной и поведение темной энергии. Недавние наблюдения с космического телескопа Джеймса Уэбба предполагают, что эти значения могут быть согласованы, но результаты еще не опубликованы.
Некоторые космологи предлагают радикальные решения, такие как более гибкие представления о темной энергии или альтернативы стандартной модели космологии. Возможно, общая теория относительности Эйнштейна достигла своих пределов. «Рано или поздно она потерпит неудачу, как это случилось с Ньютоном», — говорит Андреу Фонт-Рибера из Института физики высоких энергий в Барселоне.
Пока разговоры о замене стандартной модели космологии мотивированы догадками, но новое поколение телескопов и обсерваторий может предоставить новые данные. Обсерватория Веры Рубин в Чили начнет наблюдения в следующем году, а космический телескоп Euclid уже на орбите и строит свою карту галактик. «Вы чувствуете, что разгадка уже близка», — говорит доктор Рисс. — «Я все жду, когда кто-то сложит все части головоломки воедино».
