Телескоп в американській Національній обсерваторії Кітт-Пік витратив три роки на створення тривимірної карти космосу. Досліджуючи світло десятків мільйонів галактик за допомогою Спектроскопічного приладу темної енергії (DESI), вчені виявили дещо, що може змінити наше уявлення про влаштування Всесвіту, пише The Economist.
DESI – це інструмент дослідження темної енергії, з якої Всесвіт складається, як передбачає сучасна наука, на 68%. Донедавна вчені думали, що щільність темної енергії не змінювалася з моменту виникнення Всесвіту, 13.8 мільярда років тому. Однак дані, зібрані інструментом DESI, припускають, що це не так: тепер видно ймовірність того, що щільність змінювалася з часом.
«Це так дивно», – каже Драган Хутерер із університету Мічігану, який брав участь у дослідженні. Якщо результати виявляться вірними, це може спричинити кризу космології.
Прямі докази існування темної енергії з'явилися відносно недавно - в 1998 році, коли вчені виявили, що надзвичайно яскраві вибухаючі зірки, які називаються надновими, віддаляються від Землі набагато швидше, ніж було б слід. Їхній висновок: відбувається як розширення Всесвіту, так і прискорення даного розширення. «Люди цього не очікували», – каже Адам Рісс із Університету Джонса Хопкінса, який отримав Нобелівську премію з фізики за це відкриття у 2011 році.
Основна гіпотеза про природу темної енергії полягає в тому, що це енергія, властива вакууму порожнього простору. Згідно з квантовою теорією, вакуум насправді не порожній, він наповнений незліченними парами частинок і античастинок, які виникають невідомо з чого і одразу ж анігілюють одна одну. Ці взаємодії виробляють «енергію вакууму», яка в масштабах космосу нібито може розсунути простір на частини. Ця ідея не позбавлена проблем: коли фізики намагаються обчислити, якою буде щільність енергії вакууму, вони отримують значення на 60–120 порядків більше, ніж те, що підтверджують дані спостережень у цей час – фіаско, відоме як вакуумна катастрофа. Вирішення цієї проблеми потребує фундаментально нового розуміння, підкреслює Хутерер.
Якщо залишити осторонь вакуумну катастрофу, темна енергія зараз утворює один із двох центральних стовпів стандартної моделі космології, найкращого наукового опису еволюції Всесвіту. Інший стовп - темна матерія, невидима форма матерії, що становить, як передбачається, 27% Всесвіту. На звичайну матерію, з якої складаються зірки та галактики, припадає лише 5%. Стандартна модель стверджує, що після того, як Великий вибух призвів у рух розширення Всесвіту, гравітаційне тяжіння між атомами спочатку призвело до утворення зірок і галактик, а також послужило гальмом для загального зростання Всесвіту. Проте зі збільшенням кількості порожнього простору збільшувалася і кількість темної енергії, і в результаті її вплив на еволюцію космосу став домінуючим, спричинивши прискорене розширення.
Очікується, що це розширення Всесвіту триватиме вічно, і галактики зникнуть з поля зору один одного. Такий сценарій називають «Велике заморожування». Але якщо, як припускають дані DESI, щільність темної енергії може змінюватися, в гру вступлять інші сценарії: темна енергія може якось спровокувати розрив атомів і навіть самої тканини простору-часу – сценарій, відомий як «Великий розрив». І навпаки, темна енергія зменшуваної щільності може призвести до того, що матерія і гравітація знову «стиснуть» Всесвіт. Землянам не варто надто турбуватися: очікується, що Сонце поглине найближчі до себе планети задовго до того, як відбудеться той чи інший сценарій з усім Всесвітом.
Результати DESI припускають не лише те, що густина темної енергії з часом змінилася. За словами Хутерера, щільність збільшувалася приблизно 4 мільярди років тому, а потім почала зменшуватися. Ніхто не може пояснити, чому.
Якщо результати команди DESI будуть вірними, це означатиме повну переоцінку того, чим може бути темна енергія.
"У той момент, коли темна енергія змінюється в часі, вона більше не є енергією вакууму", – говорить Бхувнеш Джейн, космолог з Пенсільванського університету. Альтернативні пропозиції вже існують, в їхний основі лежить поле темної енергії, яке називається квінтесенцією, яке пронизує весь простір і може змінюватися з часом. Однак, каже Джейн, результати DESI в їхньому нинішньому вигляді вказують на щось складніше, ніж найпростіші моделі квінтесенції.
Це не єдині прикри тріщини у Стандартній космологічній моделі. Наприклад, деякі астрономи помітили, що матерія в найближчій частині Всесвіту злипається менше, ніж повинна згідно зі Стандартною моделлю, і що ранній Всесвіт, схоже, не був таким однорідним місцем, як передбачалося. Крім того, у деяких учених не сходяться значення постійної Хаббла – так називають швидкість, з якою розширюється Всесвіт.
Усі ці проблеми спонукали деяких космологів виступити за радикальні рішення – наприклад, прийняти гнучкіші уявлення про темну енергію або розробити альтернативу Стандартній космологічній моделі. Деякі навіть заходять так далеко, що припускають, що загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, на якій ця модель заснована, можливо, досягла своїх меж.
«Ми знаємо, що рано чи пізно вона зазнає невдачі. Це сталося з Ньютоном, це станеться з Ейнштейном», – каже Андреу Фонт-Рібера, космолог з Інституту фізики високих енергій у Барселоні та ще один член команди DESI. Це не означало б, що Ейнштейн не мав рації, просто він не врахував усіх деталей, відомих у наш час.
На даний момент усі розмови про заміну Стандартної космологічної моделі, не кажучи вже про Загальну теорію відносності, ґрунтуються лише на здогадах. Але коли наступне покоління телескопів та обсерваторій почне генерувати дані, може з'явитися нова, повніша картина ролі темної енергії у Всесвіті. Наприклад, у планах обсерваторії Віри Рубін у Чилі – скласти графік розширення Всесвіту та карту його еволюції за останні кілька мільярдів років. Космічний телескоп «Евклід» Європейського космічного агентства вже перебуває на орбіті та будує власну карту галактик. Його зусилля також спрямовані на дослідження темної енергії шляхом вимірювань розширення Всесвіту.
«Ви відчуваєте, що підказки майже поряд. Я все чекаю, поки справді розумна людина збере ці шматочки головоломки», – каже доктор Адам Рісс.
До 2026 року за допомогою апарату DESI вчені планують зібрати інформацію про понад 35 мільйонів галактик, що сягають 11 мільярдів світлових років.