В прошлом году мы сообщали о захватывающем намеке на новую физику в первых результатах анализа данных, полученных с помощью спектроскопического прибора для изучения темной энергии (DESI), а именно о том, что темная энергия не является постоянной, а может меняться со временем. Конечно, эти намеки все еще были ниже необходимого порога, чтобы заявить об открытии, и поэтому относились к категории "огромных, если это правда"

Но теперь у нас есть больше данных с DESI в сочетании с другими наборами данных, и эти намеки стали значительно сильнее - настолько, что Мустафа Исхак-Бушаки из Техасского университета в Далласе, который является сопредседателем одной из рабочих групп DESI, сказал, что "мы приближаемся к точке невозврата" для подтверждения динамической темной энергии. Исхак-Бушаки и несколько других членов группы DESI представили свои результаты на Глобальном физическом саммите Американского физического общества сегодня в Анахайме, Калифорния. Несколько соответствующих статей также были опубликованы в физическом журнале arXiv.

Эта история первоначально появилась на сайте Ars Technica, надежном источнике новостей технологий, анализа технической политики, обзоров и многого другого. Ars принадлежит материнской компании Condé Nast.

Космологическая постоянная Эйнштейна (лямбда) подразумевает существование отталкивающей формы гравитации. (Более подробное обсуждение истории космологической постоянной и ее значения для темной энергии читайте в нашем материале 2024 года). Квантовая физика утверждает, что даже самый пустой вакуум кишит энергией в виде "виртуальных" частиц, которые то появляются, то исчезают, разлетаясь и собираясь вместе в замысловатом квантовом танце. Это бурлящее море виртуальных частиц может породить темную энергию, дающую Вселенной небольшой дополнительный толчок, чтобы она могла продолжать ускоряться. Проблема в том, что квантовый вакуум содержит слишком много энергии: примерно в 10120 раз больше.

Поэтому Вселенная должна ускоряться гораздо быстрее, чем она есть, если темная энергия, по сути, является космологической постоянной. Тем не менее, все наблюдения на сегодняшний день указывают на то, что она постоянна. Лучшая теоретическая модель на сегодняшний день известна как модель Lambda CDM, которая включает в себя как слабо взаимодействующую холодную темную материю, так и темную энергию. Одна из альтернативных теорий предполагает, что Вселенная может быть заполнена флуктуирующей формой темной энергии, получившей название "квинтэссенция". Существует также несколько других альтернативных моделей, которые предполагают, что плотность темной энергии менялась на протяжении истории Вселенной.

На заре своего существования Вселенная представляла собой горячий, плотный суп из субатомных частиц, включая ядра водорода и гелия, так называемые барионы. Крошечные флуктуации создавали пульсации в этой ранней ионизированной плазме, которая по мере расширения и охлаждения Вселенной застывала в трехмерном пространстве. Эти пульсации, или пузырьки, известны как барионные акустические осцилляции (БАО). Можно использовать БАО как своего рода космическую линейку для изучения влияния темной энергии на историю Вселенной.

Для этого и был создан DESI: провести точные измерения видимого размера этих пузырьков (как вблизи, так и вдали), определив расстояния до галактик и квазаров за 11 миллиардов лет. Затем эти данные можно нарезать на кусочки, чтобы определить, насколько быстро расширялась Вселенная в каждый момент времени в прошлом, и смоделировать, как темная энергия влияет на это расширение.

Результаты прошлого года были основаны на анализе данных за целый год, взятых из семи различных срезов космического времени и включающих 450 000 квазаров, что является самым большим из когда-либо собранных данных, с рекордной точностью определения самой отдаленной эпохи (между 8 и 11 миллиардами лет назад) в 0,82 процента. Несмотря на то, что модель МЧР Ламба в основном согласна с результатами первого года, когда эти результаты были объединены с данными других исследований (по космическому микроволновому фоновому излучению и сверхновым типа Ia), обнаружились некоторые тонкие различия.

По сути, эти различия говорят о том, что темная энергия может становиться слабее. С точки зрения достоверности, результаты составили 2,6 сигма для данных DESI в сочетании с набором данных CMB. При добавлении данных по сверхновым эти цифры выросли до 2,5, 3,5 или 3,9 сигма в зависимости от того, какой именно набор данных по сверхновым использовался.

Важно объединить данные DESI с другими независимыми измерениями, потому что "нам нужна последовательность", - сказал соавтор DESI Уилл Персиваль из Университета Ватерлоо. "Все различные эксперименты должны дать нам один и тот же ответ на вопрос о том, сколько материи во Вселенной на сегодняшний день, как быстро расширяется Вселенная. Нехорошо, если все эксперименты согласны с моделью Lambda-CDM, но затем дают разные параметры. Это просто не работает. Просто сказать, что она согласуется с Лямбда-ЦДМ, недостаточно. Она должна быть согласована с Lambda-CDM и давать те же параметры для основных свойств этой модели."

Эти последние результаты охватывают первые три года собранных данных, охватывающих почти 15 миллионов галактик и квазаров. И снова данные DESI сами по себе согласуются с моделью Lambda CDM, то есть темная энергия постоянна. И снова в сочетании с другими наборами данных - CMB, сверхновых и исследований слабого гравитационного линзирования - появились сильные намеки на то, что темная энергия может меняться со временем. Уровень доверия колеблется от 2,8 до 4,2 сигма в зависимости от комбинации наборов данных - чуть меньше порога в пять сигма.

Для обывателя это может показаться постепенным прогрессом, но на самом деле все гораздо сложнее. "Сами по себе данные DESI не являются постепенными", - говорит Персиваль. "Теперь у нас есть данные за три года, а не за один. Это существенно, и не только потому, что увеличилась площадь, но и потому, что мы увеличили количество перекрытий. Мы проводим съемку, создавая пластины на небе, и после трех лет работы, а не одного года, у нас гораздо больше таких перекрытий. Поэтому наши данные гораздо более полные в том смысле, что мы спустились на всю глубину, которую мы ожидаем получить в большем количестве пятен. Следовательно, наши измерения BAO намного лучше. Они в два-три раза лучше, в зависимости от баланса между площадью и глубиной."

Кэтрин Хейманс, королевский астроном Шотландии, сказала Ars, что эти новые результаты дают ученым гораздо больше уверенности в анализе DESI. Она была удивлена ажиотажем вокруг первых результатов прошлого года, поскольку, "когда публикуются первые данные, научное сообщество всегда воспринимает их со щепоткой соли", - сказала она. Но DESI обнародовал свои данные, а другие ученые в течение последнего года проводили собственные анализы, и они выдержали такое пристальное внимание.

"Действительно большое значение для динамической темной энергии имеет сочетание стандартной линейки DESI, BAO и данных по сверхновым", - добавила она. "Это два разных способа измерения скорости расширения Вселенной. Объединив эти два способа, вы получаете сильное обнаружение динамической темной энергии".

Следующим шагом коллаборации DESI будет анализ данных за пять лет, чтобы увидеть, сохраняется ли тенденция к увеличению порога обнаружения до 5 сигм - возможно, даже превышая этот порог, что было бы очень интересно. По словам Персиваля, это, скорее всего, произойдет не раньше чем через два года. Если 5 сигма будет достигнута, то, по словам Хейманса, астрономам следует ожидать аналогичных результатов в данных космического телескопа "Евклид", который в ближайшем будущем должен провести эксперимент, аналогичный DESI, на более высоком красном смещении.

"Это открывает огромный спектр возможностей", - говорит Персиваль о последствиях, если подтвердится, что темная энергия меняется со временем. "Теоретики будут счастливы еще много лет. Как ученый вы хотите немного посидеть на заборе. Но если это так, то это следующий шаг после открытия темной энергии". Лямбда работает. Теперь Лямбда не работает. Это значит, что об этом процессе можно получить гораздо больше информации. Я думаю, люди беспокоились, что все покажет, что это просто точно согласуется с Лямбдой. Но если на самом деле что-то происходит с тем, как ускорение меняется в деталях, это очень интересно, потому что мы можем разобраться с физикой". "Нет фундаментального обоснования того, что может быть причиной динамической темной энергии, и это заставляет меня беспокоиться", - говорит Хейманс. "Наблюдатели как будто бросают перчатку теоретикам. Было бы здорово иметь возможность объяснить две темные сущности одним махом". Меня радуют трещины в космологической модели, потому что этот способ подталкивает теоретическое сообщество к нестандартному мышлению, к новым идеям. И, возможно, это позволит решить всю проблему темных сущностей, ради которой мы здесь собрались".

Эта статья первоначально появилась на сайте Ars Technica.

.