31.01.2026. - Таинственная сила, которая формирует космоисторию

Таинственная сила, которая формирует космоисторию

Когда Исследование темной энергии (DES) опубликовало свои окончательные результаты, мы связались с двумя физиками, которые участвовали в проекте с первых дней его существования. В этом разделе вопросов и ответов Джош Фриман, соучредитель DES и заместитель директора лаборатории фундаментальной физики Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, и Риса Векслер, директор Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли, обсуждают, чему нас научила десятилетняя работа и как она нас готовит для 10–летней миссии обсерватории имени Веры С. Рубин NSF-DOE, направленной на изучение некоторых из самых больших загадок Вселенной.

Что такое темная энергия и почему ее важно изучать?

Фриман: Темная энергия - это название, которое мы даем явлению, объясняющему, почему расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется. Если бы в дело вступала только гравитация, вселенная должна была бы замедляться, потому что материя притягивает материю. Вместо этого существует гравитационно-отталкивающий эффект: темная энергия.

Чтобы это произошло, темная энергия должна составлять около 70% от общего количества массы-энергии во Вселенной на сегодняшний день (около 25% или около того приходится на темную материю, а 5% - на атомы, из которых мы состоим), что сигнализирует мне о том, что мы должны это сделать. попытайся понять.

Одна из древнейших идей о том, что такое темная энергия, восходит к Эйнштейну, который добавил к своим уравнениям нечто, называемое космологической постоянной, — то, что мы сейчас назвали бы энергией вакуума, энергией пустого пространства. В классической физике эта энергия была бы равна нулю, но в квантовой механике даже "пустое" пространство обладает энергией. Если разобраться в его свойствах, то эта энергия ведет себя точно так же, как темная энергия: если она доминирует во Вселенной, это ускоряет расширение.

Векслер: Наблюдения показывают, что расширение, описанное Джошем, начало ускоряться примерно на полпути к истории Вселенной, чего не может сделать сама материя.

Ранняя Вселенная также была очень однородной; сегодня она представляет собой скопление галактик, звезд и планет. Наши теории гравитации и космологии говорят нам, что то, как Вселенная расширяется и как она становится плотной, зависит от того, что в ней содержится. Измерение обоих этих эффектов с большей точностью, чем мы имели в прошлом, является одним из способов выяснить, что на самом деле представляет собой темная энергия. Эти два эффекта послужили основой для исследования темной энергии и других космологических исследований, которыми мы занимаемся сейчас.

Как возникла идея исследования темной энергии?

Фриман: Первые намеки на темную энергию появились в начале 1990-х годов, и эти намеки превратились в доказательства благодаря наблюдениям всего нескольких десятков далеких сверхновых в конце 1990-х. Но в то время этого было достаточно, чтобы показать, что расширение Вселенной ускоряется, - открытие, которое позже принесло Нобелевскую премию.

Возник вопрос: что такое темная энергия и как мы можем измерить ее свойства? Как описывает Риса, вам нужно понимать как историю распространения, так и рост структуры. Это требует масштабного космического обследования сотен миллионов галактик, а также тысяч сверхновых, которые являются первоначальными доказательствами ускоренного расширения.

В 2003 году мы начали думать о том, как это сделать. Главной мотивацией стало строительство на Южном полюсе нового телескопа космического микроволнового фона — South Pole Telescope, который должен был составить карту примерно десятой части неба и измерить скопления галактик в качестве зонда темной энергии. Было ясно, что это должно сочетаться с оптической съемкой того же региона.

Мы поняли, что такая оптическая съемка может измерять не только скопления галактик, но и сверхновые, рост структуры, скопление галактик и гравитационное линзирование. Из этого и родилась идея исследования темной энергии.

Наш подход состоял в том, чтобы посмотреть, что можно сделать относительно быстро и недорого, используя существующий телескоп в Межамериканской обсерватории NSF Серро-Тололо в Чили и построив то, что на тот момент стало бы крупнейшей в мире камерой для многолетних наблюдений. Нам удалось объединить усилия Национального научного фонда и Министерства энергетики для реализации этого проекта.

Как SLAC участвует в этом процессе?

Векслер: Впервые я принял участие в исследовании темной энергии в 2003 году, когда был постдоком в Чикагском университете и проект только начинался. В то время нас было около 30 человек. После того, как мы представили первоначальное предложение, сотрудничество начало медленно расширяться.

Когда я перешел в SLAC в 2006 году, несколько человек с опытом работы в области физики элементарных частиц переключились на астрофизические проекты, такие как обсерватория Рубина, и горели желанием работать над DES — было ясно, что было бы полезно поработать над чем-то с данными раньше.

С годами DES стал настоящим центром деятельности SLAC, в который внесли свой вклад несколько поколений студентов и аспирантов. Многие начинающие исследователи, которые сейчас работают в Rubin, провели здесь свои студенческие или постдокторские годы, работая над DES, и все, что они узнали, они использовали в этом новом исследовании.

В ходе исследования было сделано много открытий. Что бы вы назвали самым важным?

Фриман: Первым крупным открытием DES стало обнаружение шестнадцати карликовых галактик на нашем космическом заднем дворе. Несмотря на то, что Риса и ее группа думали о карликовых галактиках, мы не создавали DES для их поиска; исследование было создано для изучения темной энергии. Просто так получилось, что обзор, который мы создали для изучения темной энергии, также был очень хорош в обнаружении близлежащих карликовых галактик.

Векслер: С моей точки зрения, как ученого, занимающегося космологическим моделированием, мы ожидали увидеть множество таких маленьких нечетких систем вокруг Млечного Пути. Слоановская цифровая съемка неба только начала обнаруживать первые из этих объектов, прежде чем началась разработка DES. Но, как сказал Джош, DES не был создан для этого.

Чего мы не ожидали, так это того, насколько мощными станут эти карлики в качестве зондов темной материи. Со временем мы научились использовать их для проверки аспектов физики темной материи, к которым в противном случае было бы очень трудно получить доступ. В настоящее время это наиболее чувствительные датчики определенных свойств темной материи, которые можно получить с помощью астрономических наблюдений. Это захватывающее направление, которое мы развиваем с помощью исследований нового поколения.

Фриман: Есть ряд других областей, где DES сделал важные открытия. Еще одна недавняя вещь, на которую я бы обратил внимание — я бы назвал это не открытием, а намеком. Сейчас есть признаки того, что темная энергия может не быть космологической постоянной или фиксированной энергией вакуума. Вместо этого это может быть что-то, что меняется с течением времени.

Если это так, то первый реальный намек на то, что темная энергия может быть непостоянной, был получен из результатов исследования сверхновых DES в начале 2024 года. За ними очень быстро последовали новые измерения, полученные в ходе исследования распределения галактик DESI. И когда вы складываете эти две вещи вместе, вы начинаете понимать, что, возможно, темная энергия эволюционирует.

Мы пока не знаем, является ли это открытием. Рубин, среди прочих, так или иначе подтвердит это. Но для меня это было захватывающе, потому что планировалось, что DES установит самые жесткие ограничения на природу темной энергии, какие только возможно, и это приближает нас к цели.

Векслер: С другой стороны, вы могли бы рассказать другую историю, которая заключается в том, что на данный момент мы узнали, что мы очень, очень близки к этой космологической постоянной.

Мы очень хорошо протестировали эту модель и вот-вот увидим, не сломается ли она. Мы пока не уверены. Мы узнаем больше, когда у нас будет больше данных. Но это очень близко к той модели, которая существует у нас уже почти 27 лет и которую мы пытаемся сломать.

Пока я бы сказал, что она еще не сломана. Мы продолжаем проводить гораздо более точные измерения и постоянно пытаемся что-то изменить. Я думаю, все мы были бы в восторге, если бы эти намеки стали прорывом, но мы пока не знаем наверняка.

Как предстоящие исследования, такие как исследование пространства и времени "Наследие Рубина" (LSST), будут основаны на открытиях DES, и что вас больше всего волнует, когда речь заходит о будущем темной энергии?

Фриман: Я всегда думал о Rubin как об исследовании темной энергии на стероидах: оно масштабнее во всех измерениях. Это позволит охватить больше неба, углубиться и наблюдать с гораздо более быстрой скоростью, что позволит выявить всевозможные переходные процессы. А объем данных будет на порядки больше, что еще больше усложнит все задачи анализа, о которых упоминала Risa.

В чем DES преуспела, так это в разработке новых методов, необходимых для анализа данных. Эти методы будут очень полезны Rubin. Большая часть основ для анализа крупных опросов была заложена DES, и многие методы, использовавшиеся в первые годы работы Rubin, будут проверены в ходе боевых действий.

Поскольку Rubin широк, быстр и глубок, он позволит исследовать объекты, которые мы никогда не могли изучать раньше. Во временной области он, по сути, снимет фильм о южном небе. Я ожидаю, что мы увидим редкие, изменяющиеся во времени явления, которые никто никогда не наблюдал. И поскольку он исследует такой большой объем, он обнаружит объекты, которые мы видели всего один или два раза, например, сверхновые с гравитационными линзами. Мы видели лишь несколько из них; Rubin может обнаружить десятки или сотни, открывая новые возможности для космологии.

Векслер: Я согласен, DES помог нам разработать инструменты, необходимые для современной космологии и для комбинирования различных видов измерений. Некоторые анализы в окончательных результатах DES не представлялись нам изначально; они разрабатывались с течением времени. Эти методы - именно то, что мы привнесем в ранний анализ по методу Рубина.

Что касается "статичной" карты неба, то Rubin по духу похож на DES, только значительно больше и глубже, с примерно на порядок большим количеством галактик. Но временная часть - изображение неба — совершенно новая. У DES была очень маленькая версия этого, но ничего похожего на масштаб или частоту вращения Rubin. Rubin откроет пространство открытий, которое мы никогда не исследовали. Кое-что из этого связано с темной энергией, например, обнаружение множества других сверхновых, но многое выходит за рамки этого.

Мы ожидаем найти еще много крошечных галактик и остатков галактик, которые попали в нашу собственную, и много нового, что расскажет нам о темной материи, формировании галактик, звездах, черных дырах и даже объектах в нашей собственной солнечной системе. Что меня больше всего волнует, так это пространство открытий: то, о чем мы еще даже не задумывались.

Источник