Более десяти лет назад в рамках проекта Dark Energy Survey (DES) – Обзор темной энергии – началось картирование Вселенной с целью найти доказательства, которые помогут нам понять природу загадочного явления, известного как темная энергия. Я – один из более чем 100 ученых, участвовавших в подготовке окончательных результатов измерений DES, которые недавно были опубликованы на 243-м заседании Американского астрономического общества в Новом Орлеане.
По оценкам, темная энергия составляет около 70 % наблюдаемой Вселенной, но мы до сих пор не понимаем, что это такое. Хотя ее природа остается загадочной, влияние темной энергии ощущается в грандиозных масштабах. Ее основной эффект заключается в ускоренном расширении Вселенной.
Сообщение, сделанное в Новом Орлеане, может приблизить нас к более полному пониманию этой формы энергии. Кроме всего прочего, оно дает нам возможность проверить наши наблюдения на соответствие идее, называемой космологической постоянной, которая была введена Альбертом Эйнштейном в 1917 году как способ противодействия эффектам гравитации в его уравнениях для получения Вселенной, которая не расширяется и не сжимается. Позднее Эйнштейн исключил ее из своих расчетов.
Однако позже космологи обнаружили, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется. Это наблюдение было приписано загадочной величине, названной темной энергией. Концепция космологической постоянной Эйнштейна могла бы объяснить темную энергию, если бы она имела положительное значение (что позволило бы ей соответствовать ускоряющемуся расширению космоса).
Результаты DES являются кульминацией десятилетий работы исследователей по всему миру и представляют собой одно из лучших измерений неуловимого параметра под названием “w”, который обозначает “уравнение состояния” темной энергии. С момента открытия темной энергии в 1998 году значение ее уравнения состояния было фундаментальным вопросом.
Это состояние описывает соотношение давления и плотности энергии вещества. Все во Вселенной имеет уравнение состояния.
Его значение говорит о том, является ли вещество газообразным, релятивистским (описываемым теорией относительности Эйнштейна) или нет, или же оно ведет себя как жидкость. Выяснение этого показателя – первый шаг к пониманию истинной природы темной энергии.
Наша лучшая теория предсказывает, что w должно быть ровно минус один (w=-1). Этот прогноз также предполагает, что темная энергия – это и есть космологическая постоянная, предложенная Эйнштейном.
Обман ожиданий
Уравнение состояния, равное минус единице, говорит нам, что с увеличением плотности энергии темной энергии увеличивается и отрицательное давление. Чем больше плотность энергии во Вселенной, тем сильнее отталкивание – другими словами, материя сталкивается с другой материей, что приводит к постоянно расширяющейся ускоряющейся Вселенной. Это может показаться немного странным, поскольку противоречит всему, что мы наблюдаем на Земле.
В работе используется самый точный датчик, который мы имеем для изучения истории расширения Вселенной: сверхновые типа Ia. Они являются одним из видов взрывов звезд и выступают в роли своеобразного космического критерия, позволяя нам измерять поразительно большие расстояния во Вселенной. Затем эти расстояния можно сравнить с нашими ожиданиями. Такой же метод был использован для обнаружения существования темной энергии 25 лет назад.
Теперь же разница заключается в размере и качестве нашей выборки сверхновых. Используя новые методы, команда DES получила в 20 раз больше данных по широкому диапазону расстояний, что позволило провести одно из самых точных измерений w, давшее значение -0,8
На первый взгляд, это не совсем минус один, которое мы предсказывали. Это может указывать на то, что это не космологическая постоянная. Однако неопределенность в таких измерениях достаточно велика, поэтому с вероятностью в 5%, или с коэффициентом 20 к 1, можно допустить минус 1. Уровень неопределенности еще достаточно высок, чтобы утверждать то или иное, но это отличное начало.
Для обнаружения субатомной частицы бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере предполагалась вероятность ошибки в пропорции миллион к одному. Кстати, наше измерение может сигнализировать о конце моделей “Большого разрыва” , в которых уравнения состояния более отрицательны, чем минус один. Согласно таким моделям, Вселенная расширяется бесконечно, все быстрее и быстрее, и в конце концов разорвет галактики, планетарные системы и даже само пространство-время. Потому радует, что они оказались ошибочными.
Как обычно, ученые хотят получить больше данных, и планы уже реализуются. Результаты DES позволяют предположить, что наши новые методы пригодятся для будущих экспериментов со сверхновыми в рамках миссии ЕКА “Эвклид” (был запущен в июле 2023 года) и новой обсерватории Веры Рубин в Чили. Вскоре телескоп этой обсерватории должен получить первое изображение неба после строительства, что позволит получить представление о его возможностях.
Телескопы нового поколения смогут обнаружить еще тысячи сверхновых, что поможет нам провести новые измерения уравнения состояния и пролить еще больше света на природу темной энергии.
Роберт Никол, исполнительный декан факультета инженерных и физических наук Университета Суррея. Он также астроном и космолог с более чем 30-летним опытом крупных астрономических исследований неба.
Читайте также: Темная энергия может привести ко второму Большому взрыву во Вселенной