Великий русский физик и лауреат Нобелевской премии Лев Ландау однажды заметил, что "космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются". При изучении истории самой Вселенной всегда есть шанс, что мы все неправильно поняли, но мы никогда не позволяем этому встать на пути наших исследований.
Несколько дней назад в новом пресс-релизе было объявлено о новаторских результатах, полученных с помощью прибора для спектроскопии темной энергии (DESI), который установлен на телескопе Mayall в Аризоне. Этот обширный обзор, содержащий координаты 15 миллионов галактик, представляет собой самую крупную трехмерную карту Вселенной на сегодняшний день. Например, свет от самых удаленных галактик, зарегистрированных в каталоге DESI, был испущен 11 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял примерно пятую часть ее нынешнего возраста.
Исследователи DESI изучили особенность в распределении галактик, которую астрономы называют "барионными акустическими колебаниями". Сравнивая это с наблюдениями за самой ранней Вселенной и вспышками сверхновых, они смогли предположить, что темная энергия — таинственная сила, стимулирующая расширение нашей Вселенной, — не была постоянной на протяжении всей истории Вселенной.
Оптимистичный взгляд на ситуацию заключается в том, что рано или поздно природа темной материи и темной энергии будет открыта. Первые проблески результатов DESI дают, по крайней мере, небольшую надежду на достижение этой цели.
Однако этого может и не произойти. Мы можем провести поиск и не продвинуться в понимании ситуации. Если это произойдет, нам нужно будет переосмыслить не только наши исследования, но и саму космологию. Нам нужно было бы найти совершенно новую космологическую модель, которая работала бы так же хорошо, как и наша текущая, но которая также объясняла бы это несоответствие. Само собой разумеется, это было бы непростой задачей.
Для многих, кто интересуется наукой, это захватывающая, потенциально революционная перспектива. Однако такого рода переосмысление космологии, да и всей науки в целом, не ново, как утверждается в книге "Переосмысление науки", опубликованной в 2023 году.
Поиск двух чисел
Еще в 1970 году Аллан Сэндедж написал широко цитируемую статью, в которой указывал на два числа, которые приближают нас к ответам о природе космического расширения. Его целью было измерить их и выяснить, как они меняются с течением космического времени. Этими числами являются постоянная Хаббла и параметр замедления Q0.
Первое из этих двух чисел говорит нам о том, насколько быстро расширяется Вселенная. Второе - это характеристика гравитации: как сила притяжения, гравитация должна противодействовать космическому расширению. Некоторые данные показали отклонение от закона Хаббла-Леметра, мерой которого является второе число Сэндиджа, Q0.
Никаких существенных отклонений от прямой линии Хаббла обнаружить не удалось, пока в 1997 году космологический проект Сола Перлмуттера "Сверхновая" и поисковая группа High-Z SN, возглавляемая Адамом Рисом и Брайаном Шмидтом, не совершили прорыв. Целью этих проектов был поиск и наблюдение за взрывами сверхновых в очень далеких галактиках.
Эти проекты выявили явное отклонение от простой прямой линии закона Хаббла-Леметра, но с одним важным отличием: расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется. Перлмуттер, Рисс и Шмидт объяснили это отклонение космологической постоянной Эйнштейна, которая обозначается греческой буквой Лямбда, и связана с параметром замедления.
Темная энергия: 70% Вселенной.
Удивительно, но эта лямбда-материя, также известная как темная энергия, является доминирующим компонентом Вселенной. Это ускоряет расширение Вселенной до такой степени, что сила притяжения становится непреодолимой, и на ее долю приходится почти 70% общей плотности Вселенной.
Мы почти ничего не знаем о космологической постоянной Лямбда. На самом деле, мы даже не знаем, что это постоянная величина. Эйнштейн впервые сказал о существовании постоянного энергетического поля, когда в 1917 году создал свою первую космологическую модель, основанную на общей теории относительности, но его решение не заключалось ни в расширении, ни в сжатии. Оно было статичным и неизменным, и поэтому поле должно было быть постоянным.
Построение более сложных моделей, содержащих это постоянное поле, было более простой задачей: они были разработаны бельгийским физиком Жоржем Леметром, другом Эйнштейна. Современные стандартные космологические модели основаны на работах Леметра и называются моделями Лямбда холодной темной материи (лямбда-CDM).
Измерения DESI сами по себе полностью согласуются с этой моделью. Однако, объединив их с наблюдениями космического микроволнового фона и вспышек сверхновых, можно сделать вывод, что наиболее подходящей моделью является модель, включающая темную энергию, которая эволюционировала в течение космического времени и которая (потенциально) больше не будет доминировать в будущем. Короче говоря, это означало бы, что космологическая постоянная не объясняет темную энергию.
В 1988 году лауреат Нобелевской премии по физике за 2019 год П. Дж. Э. Пиблз совместно с Бхаратом Ратрой написал статью о возможности существования космологической постоянной, которая меняется со временем. Когда они опубликовали эту статью, не было единого мнения о Лямбда.
Это привлекательное предположение. В этом случае текущая фаза ускоренного расширения была бы временной и закончилась бы в какой-то момент в будущем. У других этапов космической истории были начало и конец: инфляция, эра, в которой доминировало излучение, эра, в которой доминировала материя, и так далее.
Таким образом, нынешнее преобладание темной энергии может уменьшиться с течением космического времени, что означает, что она не будет космологической постоянной. Новая парадигма предполагает, что текущее расширение Вселенной может в конечном итоге обернуться "Большим сжатием".
Другие космологи более осторожны, и не в последнюю очередь Карл Саган, который мудро заметил, что "экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств". Крайне важно иметь множество независимых свидетельств, указывающих на один и тот же вывод. Мы еще не пришли к такому выводу.
Ответы могут быть получены в рамках одного из текущих проектов — не только DESI, но и Euclid и J-PAS, — целью которых является изучение природы темной энергии с помощью крупномасштабного картографирования галактик.
Хотя устройство самого космоса остается предметом споров, одно можно сказать наверняка — на горизонте наступают захватывающие времена для космологии.
