Вселенная, скорее всего, устроена не так, как мы думаем: ученые открыли нечто неожиданное

Телескоп в американской Национальной обсерватории Китт-Пик потратил три года на создание трехмерной карты космоса. Исследуя свет десятков миллионов галактик с помощью Спектроскопического прибора темной энергии (DESI), ученые обнаружили нечто, что может изменить наше представление об устройстве Вселенной, пишет The Economist.

DESI – это инструмент для исследования темной энергии, из которой Вселенная состоит, как предполагает современная наука, на 68%. До недавнего времени ученые думали, что плотность темной энергии не менялась с момента возникновения Вселенной, 13.8 миллиарда лет назад. Однако данные, собранные инструментом DESI, предполагают, что это не так: теперь видно вероятность того, что плотность менялась со временем.

«Это так странно», – говорит Драган Хутерер из Мичиганского университета, принимавший участие в исследование. Если результаты окажутся верными, это может привести к кризису космологии.

Прямые доказательства существования темной энергии появились относительно недавно – в 1998 году, когда ученые обнаружили, что чрезвычайно яркие взрывающиеся звезды, называемые сверхновыми, удаляются от Земли гораздо быстрее, чем следовало бы. Их вывод: происходит не только расширение  Вселенной, но и ускорение данного расширения. «Люди этого не ожидали», – говорит Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса, получивший Нобелевскую премию по физике за данное открытие в 2011 году.

Основная гипотеза о природе темной энергии состоит в том, что это энергия, присущая вакууму пустого пространства. Согласно квантовой теории, вакуум на самом деле не пуст, он наполнен бесчисленными парами частиц и античастиц, которые возникают неизвестно из чего и сразу же аннигилируют друг друга.  Эти взаимодействия производят «энергию вакуума», которая в масштабах космоса якобы может раздвинуть пространство на части. Эта идея не лишена проблем: когда физики пытаются вычислить, какой будет плотность энергии вакуума, они получают значение на 60–120 порядков больше, чем то, что подтверждают данные наблюдений в настоящее время – фиаско, известное как вакуумная катастрофа. Решение данной проблемы ​​потребует фундаментально нового понимания, подчеркивает Хутерер.

Если оставить в стороне вакуумную катастрофу, темная энергия сейчас образует один из двух центральных столпов стандартной модели космологии, лучшего научного описания эволюции Вселенной. Другой столп – темная материя, невидимая форма материи, составляющая, как предполагается, 27% Вселенной. На обычную материю, из которой состоят звезды и галактики, приходится всего 5%. Стандартная модель утверждает, что после того, как Большой взрыв привел в движение расширение Вселенной, гравитационное притяжение между атомами сначала привело к образованию звезд и галактик, а также послужило тормозом для общего роста Вселенной. Однако по мере увеличения количества пустого пространства увеличивалось и количество темной энергии, и в результате ее влияние на эволюцию космоса стало доминирующим, вызвав ускоренное расширение.

Ожидается, что это расширение Вселенной будет продолжаться вечно, и галактики в конечном итоге исчезнут из поля зрения друг друга. Такой сценарий называют «Большое замораживание». Но если, как предполагают данные DESI, плотность темной энергии может меняться, в игру вступят другие сценарии: темная энергия может однажды спровоцировать разрыв атомов и даже самой ткани пространства-времени – сценарий, известный как «Большой разрыв». И наоборот, темная энергия уменьшающейся плотности может привести к тому, что материя и гравитация снова «сожмут» Вселенную. Землянам не стоит слишком беспокоиться: ожидается, что Солнце поглотит свои ближайшие планеты задолго до того, как произойдет тот или иной сценарий со всей Вселенной.

Результаты DESI предполагают не только то, что плотность темной энергии со временем изменилась. По словам Хутерера, плотность увеличивалась примерно 4 миллиарда лет назад, а затем начала уменьшаться. Никто не может объяснить, почему.

Если результаты команды DESI окажутся верными, это будет означать полную переоценку того, чем может быть темная энергия. 

«В тот момент, когда темная энергия меняется во времени, она больше не является энергией вакуума», – говорит Бхувнеш Джейн, космолог из Пенсильванского университета. Альтернативные предложения уже существуют, в их основе лежит поле темной энергии, называемое квинтэссенцией, которое пронизывает все пространство и может меняться со временем. Однако, говорит Джейн, результаты DESI в их нынешнем виде указывают на нечто более сложное, чем простейшие модели квинтэссенции.

Это не единственные досадные трещины в Стандартной космологической модели. Например, некоторые астрономы заметили, что материя в ближайшей части Вселенной слипается меньше, чем должна согласно Стандартной модели, и что ранняя Вселенная, похоже, не была таким однородным местом, как предполагалось. Кроме того, у некоторых ученых не сходятся значения постоянной Хаббла – так называют скорость, с которой расширяется Вселенная.

Все эти проблемы побудили некоторых космологов выступить за радикальные решения – например, принять более гибкие представления о темной энергии или разработать альтернативу Стандартной космологической модели. Некоторые даже заходят так далеко, что предполагают, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна, на которой основана эта модель, возможно, достигла своих пределов. 

«Мы знаем, что рано или поздно она потерпит неудачу. Это случилось с Ньютоном, это произойдет с Эйнштейном», – говорит Андреу Фонт-Рибера, космолог из Института физики высоких энергий в Барселоне и еще один член команды DESI. Это не означало бы, что Эйнштейн был не прав, просто он не учел всех деталей, известных в наше время. 

На данный момент все разговоры о замене Стандартной космологической модели, не говоря уже об Общей теории относительности, основываются лишь на догадках. Но когда следующее поколение телескопов и обсерваторий начнет генерировать данные, может появиться новая, более полная картина роли темной энергии во Вселенной. Например, в планах обсерватории Веры Рубин в Чили – составить график расширения Вселенной и карту её эволюции за последние несколько миллиардов лет. Космический телескоп «Евклид» Европейского космического агентства уже находится на орбите и строит собственную карту галактик. Его усилия также направлены на исследование темной энергии посредством измерений расширения Вселенной. 

«Вы чувствуете, что подсказки почти рядом. Я все жду, пока действительно умный человек соберет эти кусочки головоломки», – говорит доктор Адам Рисс. 

До 2026 года с помощью аппарата DESI ученые планируют собрать информацию о более чем 35 миллионах галактик, простирающихся на 11 миллиардов световых лет.