В прошлом году новая огромная карта космоса дала повод предположить, что двигатель, обеспечивающий космическое расширение, возможно, теряет мощность. Теперь физики собрали ещё более обширную карту и сделали более убедительный вывод на этот счёт
Путешествие по новой карте миллионов галактик, составленной с помощью спектроскопического прибора для исследования тёмной энергии (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI). Эта карта позволила космологам отобразить миллиарды лет космического расширения.
Прошлой весной группа из почти 1000 космологов объявила, что тёмная энергия — загадочный фактор, заставляющий Вселенную расширяться с постоянно растущей скоростью — возможно, ослабевает. Э****тот сенсационный результат, основанный на наблюдениях группы за движениями миллионов галактик в сочетании с другими данными, был предварительным и неокончательным. Сегодня учёные сообщают, что они проанализировали в два раза больше данных, чем раньше, и что эти данные ещё убедительнее указывают на тот же вывод: тёмная энергия теряет силу.
«Мы гораздо увереннее, чем в прошлом году, в том, что это действительно так», — сказал Сешадри Надатур, член коллаборации Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), группы, стоящей за новым результатом.
Их выводы, представленные в 2025 году на Всемирном физическом саммите в Анахайме, штат Калифорния, совпадают с результатами другой группы космологов — проекта «Dark Energy Survey» (DES), в котором участвуют 400 учёных. Проект DES, также проанализировавший огромный участок космоса, сообщил о наличии доказательств изменчивости тёмной энергии, а также в докладе, представленном на конференции в Анахайме.
«Интересно, что всё идёт в этом направлении и что в ходе нескольких экспериментов наблюдается некоторое противоречие» с идеей о постоянстве тёмной энергии, — сказал Майкл Троксел, член команды DES из Университета Дьюка.
Если доказательства эволюции тёмной энергии подтвердятся по мере накопления данных — а это не гарантировано — это перевернёт представления космологов о том, куда нас ведёт судьба. Тёмная энергия с постоянной плотностью и давлением обрекла бы наш космос на вечное расширение, пока непреодолимые пропасти не отделили бы каждую частицу от всех остальных, погасив всякую активность. Но эволюционирующая тёмная энергия делает возможными альтернативные варианты будущего. «Это бросает вызов нашим представлениям о судьбе Вселенной», — сказал Мустафа Ишак-Бушаки, космолог из Техасского университета в Далласе и член команды DESI. «Это кардинально меняет правила игры».
Изменение или ослабление тёмной энергии также перевернуло бы наше представление о современной реальности. Самая простая идея заключается в том, что тёмная энергия — это энергия самого космического вакуума, которая должна быть неизменной характеристикой квантовой физики. Изменение тёмной энергии свидетельствовало бы о наличии чего-то дополнительного, какого-то ранее не обнаруженного компонента в фундаментальной «рецептуре» космоса. Эта недостающая часть может быть чем-то простым, например, новым типом частицы, или же она может выявить едва различимый недостаток теории гравитации Эйнштейна. Это может даже привести исследователей к новой фундаментальной теории физики.
«Похоже, это будет сдвиг парадигмы, нечто, что изменит наши представления и то, как мы складываем кусочки головоломки воедино», — сказал Ишак-Бушаки.
Картирование космоса
Астрофизики впервые обнаружили влияние тёмной энергии в конце 1990-х годов. Две группы учёных наблюдали за десятками удалённых сверхновых и обнаружили, что самые отдалённые из них удалились от нашей галактики Млечный Путь дальше, чем ожидалось. Казалось, что что-то ускоряет расширение Вселенной.
Физики-теоретики точно знали, чем должно быть это «нечто»: энергией самого пространства. В своей теории гравитации Эйнштейн предусмотрел математическое место для «космологической постоянной» — энергии, которая везде имеет постоянную плотность и давление, вызывая отталкивание. Что касается источника этой энергии, то физики знали, что квантовые поля — сущности, ответственные за существование таких частиц, как электроны и фотоны, — ответственны за то, что вроде бы пустое пространство на самом деле «бурлит» на квантовом уровне. Эта энергия слишком слабая, чтобы иметь значение на расстоянии нескольких метров, но в космическом масштабе она должна суммироваться, раздвигая галактики друг от друга всё быстрее и быстрее. И чем больше пространства между ними появляется, тем сильнее действует эта энергия вакуума. Открытие того, что расширение Вселенной действительно ускоряется, подтвердило понимание физиками как квантовых полей, так и гравитации, хотя и подняло новые вопросы.
Но за последние десятилетия космология прошла долгий путь. DESI и DES картографируют миллионы небесных объектов, и их разрешения уже достаточно для того, чтобы понять, является ли тёмная энергия действительно постоянной или же она подвержена небольшим изменениям.
DESI обладает исключительно чётким «зрением». Этот телескоп, расположенный на вершине горы Китт-Пик в Аризоне, оснащён тысячами поворотных роботизированных «глаз». С мая 2021 года эти «глаза» ночь за ночью перемещаются туда-сюда, направляя свои оптоволоконные кабели на одну галактику за другой и собирая их свет. За первый год работы телескоп наблюдал шесть миллионов галактик, точно определив скорости, с которыми они удаляются от Земли.
Многие из этих галактик находятся настолько далеко, что их свет добирался до нас миллиарды лет. В совокупности их излучение освещает последние примерно 11 миллиардов лет космической истории. Космологи DESI сосредоточились на выявлении того, как галактики незаметно группируются в приблизительно сферические структуры определённого размера — отмечая следы волн, которые прошли через Вселенную, когда она была гораздо моложе и плотнее. Они использовали эти структуры, чтобы воссоздать расширение Вселенной в деталях и запечатлеть его будто на моментальном снимке.
В апреле 2024 года учёные DESI поделились результатами своего первого года наблюдений. Данные дали признаки того, что тёмная энергия, возможно, ослабевала в течение последних нескольких миллиардов лет. Её плотность не выглядела постоянной.
Исследователи DESI были в восторге, но оставались осторожными. Они высказывались с осторожностью, описывая свои открытия как «намёки», а не «доказательства», и тщательно добавляя оговорки. Члены команды подчёркивали прошлый опыт, когда аномалии в физике исчезали с появлением дополнительных данных.
«Возник большой вопрос: насколько надёжны эти новые данные?» — сказала Ким Бергхаус, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, не входящий в состав команды DESI. «Сначала многие думали, что эти данные окажутся ложными».
Затем осенью 2024 года группа опубликовала более подробный анализ, в котором были рассмотрены более тонкие закономерности в расположении галактик, выходящие за рамки более очевидных сферических структур. Намёки на изменение тёмной энергии сохранялись. «Все вздохнули с облегчением», — сказал Диллон Браут, космолог из Бостонского университета, входящий в состав команд как DESI, так и DES.
Новые результаты группы основаны на трёхлетних наблюдениях за звёздами, проведённых роботизированными «глазами» на Китт-Пике. После анализа этих свежих данных настроение сменилось с облегчения на восторг.
Ещё миллионы галактик
Если данные DESI за первый год содержали шесть миллионов галактик, то трёхлетний набор данных охватывает почти 15 миллионов. Команда вновь определила сферические структуры галактик и вновь реконструировала последние 10 миллиардов лет космического расширения — на этот раз с ещё большим разрешением.
В течение нескольких месяцев они оттачивали свой компьютерный код на тестовых данных и зашифрованной версии реальных данных, выявляя ошибки и проверяя, что их анализ работает должным образом. Вечером 10 декабря 2024 года представители совместного проекта собрались в Канкуне, Мексика, и три часа обсуждали, удовлетворены ли они тем, что рассмотрели анализ со всех возможных сторон.
Когда они решили, что всё готово, несколько исследователей удалились в свои гостиничные номера, чтобы расшифровать данные и подготовить окончательные графики. Среди них был Надатур, космолог из Университета Портсмута в Великобритании. Он наслаждался привилегией быть одним из первых людей на Земле, раскрывших секреты самой большой и подробной карты галактик, созданной на сегодняшний день. Два дня спустя он вышел на сцену перед примерно 200 своими коллегами по DESI, а ещё сотни членов команды наблюдали за ним удалённо, и поделился результатами. «Это был лучший опыт в моей профессиональной карьере», — сказал он.
Сами по себе данные DESI о 15 миллионах галактик могут согласовываться как с развивающейся моделью тёмной энергии, так и со стандартной теорией космологии, известной как модель Lambda‑CDM, которая предполагает наличие космологической постоянной. (Lambda — это греческий символ, обозначающий космологическую постоянную Эйнштейна, а CDM расшифровывается как «холодная тёмная материя».) Но когда исследователи DESI также учли уже имеющиеся данные о расположении тысяч сверхновых в близлежащих галактиках и условиях в ранние дни Вселенной, выявленных по остаткам древнего света (реликтового излучения), объединённые наборы данных резко отклонились от модели Lambda‑CDM и указали на эволюцию тёмной энергии.
Весной прошлого года DESI сообщил, что совокупные наборы данных расходятся с прогнозами модели Lambda‑CDM на целых 3,9 «сигмы» — единицы измерения статистической значимости. Теперь эта цифра выросла до 4,2 сигмы. Если предположить, что исследователи не допустили ошибки, это число означает, что вероятность получения такого результата составляет всего около 1 к 30 000, если Lambda‑CDM является правильной моделью космоса. Это примерно настолько же вероятно, как подбросить монету 15 раз и получить 15 раз подряд «орла».
Подтверждением этих результатов служит то, что несоответствие с моделью Lambda‑CDM сохраняется (хотя и в меньшей степени) даже при исключении данных о реликтовом излучении или данных о сверхновых. Это указывает на то, что проблема не связана с каким-либо отдельным набором данных.
«Чтобы все они оказались совершенно неверными, группам пришлось бы устроить заговор, — сказал Ишак-Бушаки, — что, на мой взгляд, крайне маловероятно».
Команда DES пришла к аналогичному выводу. В течение пяти лет их телескоп в чилийских Андах снял фотографии 12% неба высокого разрешения, создав самый обширный на сегодняшний день каталог сверхновых и обнаружив те же сферические оболочки, очерченные многими миллионами галактик (хотя и с меньшей точностью, чем DESI). Объединив эти данные с новейшими наблюдениями космического микроволнового фона, они обнаружили несоответствие с моделью Lambda‑CDM на уровне 3,2 сигмы, которое исчезает, если предположить, что тёмная энергия изменяется. «Это даёт красивую и согласованную картину», — сказал Троксел.
Однако команда DES предупреждает, что статистический анализ в космологии — дело непростое. Обычно эксперимент можно повторять снова и снова, пока не убедишься в правильности или неверности своей теории. Но у космологов есть только одна Вселенная для наблюдения. В связи с этим несоответствия между данными и теорией могут возникать из-за допущений, сделанных в самой теории, а не из-за неожиданных закономерностей в данных. «Нравится вам это или нет, но в этом есть некоторая субъективность», — сказал Чихвей Чанг, космолог из Чикагского университета и член команды DES.
Ещё одна сложность при интерпретации новых результатов заключается в том, что, по крайней мере в космической истории DESI, тёмная энергия, похоже, постепенно усиливалась в течение миллиардов лет, прежде чем начала ослабевать примерно шесть миллиардов лет назад. Такое усиление нельзя назвать немыслимым, но теоретики считают его весьма неестественным, называя его «фантомной» тёмной энергией.
Они уже предложили объяснения тому, почему этого «фантома» на самом деле нет. Возможно, данные того раннего периода не дают точной картины. Влияние тёмной энергии на Вселенную в её ранние годы было слабым, поскольку тогда пространства было гораздо меньше; сигнал из той эпохи слабее. Бергхаус с осторожным оптимизмом полагает, что DESI натолкнулся на что-то реальное, но её надежда зависит от того, что тёмная энергия действительно будет последовательно ослабевать с течением времени. «Если она действительно окажется в этой фантомной зоне, — сказала она, — я буду склоняться к тому, что в вычисления закралась систематическая ошибка».
Изменение тёмной энергии значительно расширит спектр возможностей того, куда движется Вселенная. Расширение может остановиться, и гравитация может привести к слиянию всего воедино. Или тёмная энергия может снова стать «фантомной», и расширяющаяся Вселенная может даже ускориться. Всё зависит от деталей того, что генерирует эту энергию.
«Теперь открылся ящик Пандоры с теориями», — сказал Ишак-Бушаки.
Столкновение фундаментальных принципов
Накапливающиеся доказательства изменчивости тёмной энергии вызвали полярные реакции среди физиков-теоретиков.
Для Кумруна Вафа, физика из Гарвардского университета, представление о Вселенной, в которой общая энергия в пространстве постепенно рассеивается, является вполне естественным. Он специализируется на теории струн — гипотетической модели, которая пытается объяснить всю материю и все силы с помощью колеблющихся энергетических струн. По его словам, при попытке построить вселенные из струн невозможно создать такую, в которой кубические метры пространства сохраняли бы положительную энергию вечно. В конечном итоге энергия должна упасть — либо резко, либо постепенно с течением времени. «Теория как бы требует, чтобы это произошло, — сказал он. — Вопрос только в том, как быстро». Он особенно воодушевлён данными DESI, поскольку они согласуются с медленным снижением, которое наблюдается во многих моделях струнных вселенных.
Рафаэль Буссо, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Беркли, считает, что заявленное изменение тёмной энергии настолько маловероятно, что граничит с невозможным. Он указал, что, судя по поведению частиц, о существовании которых мы знаем, вакуум должен обладать некоторой постоянной энергией; это не является опцией. Таким образом, DESI должен был бы улавливать тонкое влияние какого-то дополнительного, неоткрытого поля, которое действует как постепенно разрежающаяся отталкивающая жидкость — наслоённое поверх постоянной энергии вакуума и едва различимое от неё. Он считает гораздо более вероятным, что какая-то незаметная оплошность или неудача привела команду DESI к неверному измерению космологической постоянной.
«Если что-то ходит как утка и крякает как утка, то вряд ли это будет единорог в костюме утки», — сказал Буссо. «Если речь идёт о трёх сигмах, да даже о четырёх, я не собираюсь из-за этого терять сон».
Пока Буссо будет крепко спать, немигающие роботизированные глаза на Китт-Пике будут продолжать вглядываться во Вселенную и в прошлое, улавливая фотоны для составления третьей (и последней) космической карты. Эта карта будет включать 50 миллионов галактик и может обрести форму к концу 2026 или началу 2027 года. Позже в этом году коллаборация DES планирует опубликовать наблюдения о том, как галактики и материя сгруппировались на протяжении веков — процесс, отражающий символическое «перетягивание каната» между притяжением гравитации и отталкиванием тёмной энергии. Их результаты должны ещё больше прояснить, теряет ли тёмная энергия силу.
Исследователи единодушно согласны с тем, что сейчас захватывающее время для космологов. Бергхаус рассматривает аномалию тёмной энергии как последнюю из нескольких увлекательных космологических загадок. С появлением новой волны телескопов следующего поколения в течение следующего десятилетия ей кажется, что в космологии наступает «рассвет». «В рамках модели Lambda‑CDM начинают возникать всякие противоречия, — сказала она. — Поэтому с этой точки зрения я не думаю, что это конец истории».
