Тёмная энергия эволюционирует или это ошибка калибровки? Почему данные DESI ставят под сомнение константу Эйнштейна
Космология вошла в эпоху, где под сомнение поставлен главный стабилизирующий фактор Вселенной — неизменность вакуума. Десятилетиями модель Лямбда-CDM предполагала, что темная энергия представляет собой структуру статичной плотности, выступающую константой в уравнениях Эйнштейна. Однако второй релиз данных проекта DESI и его детальный разбор, проведенный физиком Лаборатории реактивного движения NASA Славой Турышевым, обнаружили в этой архитектуре аномалию. Выяснилось, что темная энергия может обладать внутренней динамикой, меняя свои свойства в зависимости от эпохи. Если эта изменчивость — не погрешность измерений, а реальный физический процесс, то наши представления о фундаментальных законах природы требуют полной деконструкции.
Данные, полученные в ходе наблюдений за рекордным количеством внегалактических объектов, свидетельствуют о том, что темная энергия может быть динамической величиной. Это означает, что скорость расширения Вселенной меняется по законам, которые не вписываются в классические уравнения общей теории относительности. Если результаты подтвердятся, физикам придется пересмотреть представления о свойствах физического вакуума.
Конфликт в основе стандартной модели
Модель Лямбда-CDM получила статус стандартной благодаря способности объяснять два самых важных явления: распределение температуры реликтового излучения и ускоряющееся расширение Вселенной. В рамках этой модели темная энергия обладает постоянным параметром уравнения состояния, равным минус единице. Это число описывает соотношение между давлением и плотностью энергии вакуума. При таком значении темная энергия действует как внутренняя сила, которая заставляет пространство расширяться с постоянным ускорением.
Однако новые измерения проекта DESI показывают отклонение от этого правила. Проект проанализировал положение 14 миллионов галактик и квазаров, чтобы составить самую подробную карту распределения материи в истории. Когда эти данные объединили с результатами наблюдений за сверхновыми типа Ia и картой реликтового излучения, возникло статистическое противоречие. Вместо стабильного значения уравнения состояния данные указывают на его изменение во времени.
Расхождение составляет от 2,5 до 4,2 сигм в зависимости от используемого набора данных. В физике высоких энергий такие значения означают, что вероятность случайной ошибки крайне мала. Это заставляет предположить наличие неучтенных физических процессов, которые влияют на эволюцию пространства-времени на огромных временных отрезках.
Проблема систематических ошибок и калибровки данных
Значительная часть анализа Славы Турышева посвящена проверке достоверности этих выводов. В космологии существует проблема: исследователи не могут измерить расстояния до далеких объектов напрямую, поэтому используют косвенные методы.
Первый метод — барионные акустические осцилляции. Это статистические закономерности в распределении галактик, возникшие из-за звуковых волн в ранней Вселенной. Они служат эталоном для измерения масштабов расширения. Второй метод — сверхновые типа Ia. Эти объекты обладают известной светимостью, поэтому по их видимому блеску физики вычисляют расстояние до них.
Проблема заключается в том, что эти два метода начинают давать расходящиеся результаты на больших расстояниях. Турышев подчеркивает, что выводы о динамической природе темной энергии критически зависят от точности калибровки яркости сверхновых. Исследование показывает, что ошибка в оценке яркости сверхновых всего в две сотых доли звездной величины полностью имитирует изменение свойств темной энергии. Причины такой погрешности могут быть физическими: условия взрыва звезд в ранней Вселенной могли отличаться от условий в более молодых галактиках из-за разного химического состава. Таким образом, научное сообщество должно определить, наблюдает ли оно новую физику или сталкивается со скрытой систематической ошибкой в методах измерения.
Геометрическая диагностика Олкока — Пачинского
Чтобы исключить зависимость от ошибок калибровки яркости, Турышев предлагает использовать параметр Олкока — Пачинского. Это геометрический метод, который сравнивает два вида угловых измерений: радиальное (вдоль луча зрения) и поперечное. Если Вселенная расширяется в строгом соответствии со стандартной моделью, соотношение этих измерений должно следовать расчетной кривой.
Преимущество метода заключается в том, что он не зависит от яркости объектов или точного значения звукового горизонта в ранней Вселенной. Это делает его объективным инструментом проверки. Текущие результаты по этому параметру пока находятся в пределах допустимых значений стандартной модели, но они уже вплотную приближаются к границе, за которой потребуется признание переменности вакуума. Решающие данные ожидаются в течение ближайших лет, когда объем выборки увеличится.
Физические модели эволюции вакуума
Если подтвердится, что темная энергия меняется во времени, физикам придется выбирать между несколькими альтернативными теориями. Исследование Турышева выделяет основные направления:
- Модели квинтэссенции. Вводится новое скалярное поле, которое заполняет пространство. В отличие от космологической постоянной, энергия этого поля меняется. Это означает, что свойства вакуума не являются статичными.
- Взаимодействующие темные сектора. В этой гипотезе темная энергия и темная материя не изолированы друг от друга, а обмениваются энергией и импульсом. Такой обмен меняет общую динамику расширения Вселенной и объясняет наблюдаемые в данных DESI аномалии без введения новых фундаментальных сил.
- Модифицированная гравитация. Предполагается, что общая теория относительности является лишь приближением. На межгалактических расстояниях законы гравитации могут меняться, что со стороны выглядит как воздействие темной энергии.
Особое внимание ученые уделяют возможности перехода через фантомный барьер. Если параметр уравнения состояния опускается ниже минус единицы, плотность темной энергии начинает расти вместе с расширением пространства. Это ведет к гипотетическому сценарию, при котором ускорение расширения со временем станет бесконечно сильным и разрушит структуру материи.
Методология проверки и критерии отбора моделей
Для оценки достоверности новых моделей Турышев использует строгие информационные критерии — Акаике и Байесовский критерий. Они позволяют определить, оправдано ли введение новых параметров в физическую теорию. Часто более сложная модель лучше описывает данные просто за счет большего числа переменных, но информационные критерии штрафуют за избыточную сложность.
На данный момент модели с переменной темной энергией показывают улучшение соответствия данным, но этот выигрыш еще не настолько велик, чтобы однозначно отказаться от модели Лямбда-CDM. Анализ Турышева требует подтверждения через дополнительные каналы связи, такие как регистрация гравитационных волн от слияния нейтронных звезд. Гравитационно-волновая астрономия позволяет измерять расстояния до объектов без использования оптических методов, что делает ее независимым инструментом в споре о расширении Вселенной.
Будущее космологических исследований
Главный вывод работы заключается в том, что точность современных инструментов превысила нашу способность калибровать эти инструменты. Теперь прогресс зависит не только от количества зафиксированных галактик, но и от понимания микрофизических процессов внутри звезд и калибровки измерительных линеек.
Если гипотеза о динамической темной энергии подтвердится, это станет фундаментальным сдвигом в физике. Это будет означать, что вакуум обладает внутренней динамикой, которая управляет эволюцией материи на самом масштабном уровне. В ближайшие годы данные от новых обсерваторий, таких как Euclid и телескоп имени Веры Рубин, позволят окончательно установить, является ли наблюдаемая аномалия погрешностью измерений или мы стоим на пороге открытия новой формы материи. В любом случае, стандартная модель Вселенной в ее нынешнем виде больше не может считаться исчерпывающей.
Источник: arXiv
