Темная энергия считалась неизменной. 2884 взрывающихся звезды намекают, что мы могли ошибаться

В конце XX века астрономы обнаружили нечто совершенно неожиданное: Вселенная не просто расширяется, ее расширение ускоряется. Открытие было сделано во многом благодаря взрывам особого типа звезд — сверхновым Ia. Чтобы объяснить ускорение, в космологическую модель пришлось добавить загадочный компонент, получивший название темной энергии. Почти три десятилетия простейшее объяснение выглядело достаточно убедительно: темная энергия постоянна. Теперь крупнейшая подборка сверхновых заставляет снова проверить это предположение.

Международная группа под руководством исследователей Квинслендского университета объединила данные о 2884 сверхновых типа Ia. Это не просто длинный список звездных взрывов, а попытка свести три десятилетия наблюдений разных телескопов в единую систему и заново проанализировать старые измерения современными методами.

Результат оказался интригующим. В сочетании с другими космологическими измерениями данные не идеально укладываются в простейшую модель, где свойства темной энергии остаются неизменными на протяжении истории Вселенной. Отклонение само по себе еще не означает открытия новой физики, однако оно дополняет другие недавние намеки на то, что один из фундаментальных элементов современной картины космоса может оказаться сложнее, чем предполагалось.

Почему для этого вообще нужны взрывающиеся звезды? Сверхновые типа Ia возникают в системах, связанных с белыми карликами. Их яркость можно стандартизировать по наблюдаемым свойствам кривой блеска и цвету, благодаря чему они служат своеобразными космическими дальномерами. Если известно, насколько ярким объект должен быть, его наблюдаемая тусклость позволяет определить расстояние. Сравнивая расстояние со скоростью космологического удаления, астрономы восстанавливают историю расширения Вселенной.

Именно сверхновые Ia в 1990-х годах показали, что далекие объекты выглядят иначе, чем ожидалось во Вселенной, расширение которой только замедляется под действием гравитации. Так появилось свидетельство ускоренного расширения, а вместе с ним — проблема темной энергии.

В стандартной космологической модели ΛCDM темную энергию обычно описывают космологической постоянной Λ. В таком варианте плотность темной энергии не меняется по мере расширения пространства, а параметр ее уравнения состояния w равен -1. Модель удивительно хорошо описывает огромный набор наблюдений, от реликтового излучения до распределения галактик.

Но физическая природа Λ остается почти полной загадкой. Мы можем наблюдать ее предполагаемое влияние на расширение космоса, но не знаем, что она собой представляет. Более того, попытки связать космологическую постоянную с квантовой энергией вакуума приводят к одному из самых знаменитых несоответствий между теорией и наблюдениями в современной физике.

Поэтому возможность того, что темная энергия меняется во времени, вызывает такой интерес. Если w действительно не является постоянным, космологическая постоянная может оказаться лишь приближением, а за ускорением расширения скрывается динамическое поле, неизвестная физика гравитации или еще более экзотический механизм.

Однако искать столь тонкий эффект чрезвычайно сложно. Сверхновая находится за миллиарды световых лет, ее свет проходит через пыль, искривляется гравитацией промежуточной материи и регистрируется приборами, которые за десятилетия наблюдений неоднократно менялись. Даже небольшая систематическая ошибка может имитировать космологический сигнал.

Именно поэтому новая работа потребовала не просто собрать старые каталоги вместе. Исследователи повторно обработали исторические наблюдения, согласовали измерения разных телескопов и учли современные представления о поведении сверхновых. В анализ вошли влияние космической пыли, свойства родительских галактик и гравитационное линзирование — изменение яркости из-за искривления света массивными структурами на пути к Земле.

После этого сверхновые объединили с независимыми космологическими данными, включая реликтовое микроволновое излучение — древнейший доступный нам свет Вселенной — и информацию о крупномасштабном распределении галактик.

Полученная картина показала отклонение от модели с неизменной темной энергией. Особенно интересно, что это происходит на фоне результатов другого масштабного проекта — DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument.

DESI использует совершенно иной подход. Вместо взрывающихся звезд он картирует миллионы галактик и квазаров и измеряет барионные акустические осцилляции — своеобразный отпечаток звуковых волн, распространявшихся в горячей молодой Вселенной. Их масштаб работает как космическая линейка и позволяет проследить изменение скорости расширения.

Данные DESI в сочетании с другими наблюдениями также дали намеки на эволюционирующую темную энергию. Это делает ситуацию значительно интереснее: потенциальное отклонение появляется в методах, основанных на разных физических явлениях.

Но здесь есть важная деталь. Новый анализ сверхновых демонстрирует отклонение несколько иного характера, чем прежние результаты. Это может быть следствием статистики, различий между наборами данных или еще не полностью учтенных систематических эффектов. А может оказаться частью более сложной физической картины. Именно поэтому сейчас нельзя говорить, что изменение темной энергии уже обнаружено.

История космологии знает немало намеков, исчезавших после появления более точных измерений. Чем неожиданнее результат, тем важнее независимое подтверждение. Если же эффект сохранится, последствия будут фундаментальными. Стандартная модель ΛCDM не обязательно рухнет целиком: ее основные элементы исключительно успешно описывают наблюдаемую Вселенную. Но один из ее центральных компонентов придется заменить более сложным механизмом.

Это затронет не только судьбу космоса. Характер темной энергии определяет, как будет расширяться Вселенная через миллиарды и триллионы лет. Постоянная Λ предполагает одно будущее, изменяющийся компонент способен допустить другие сценарии. Еще глубже находится проблема объединения квантовой физики и гравитации. Возможно, странное поведение космического ускорения содержит информацию о фундаментальной теории, которой у нас пока нет.

Следующий этап будет гораздо точнее. Каталог планируется расширять наблюдениями программы DEBASS, которая ищет сотни относительно близких сверхновых. Такие объекты особенно важны для калибровки космической шкалы расстояний. Параллельно DESI и новые обсерватории будут строить все более подробную трехмерную карту Вселенной.

Возможно, нынешний намек исчезнет, когда данных станет больше. Для науки это будет столь же важным результатом: границы допустимых моделей темной энергии станут жестче. Но если независимые методы продолжат указывать на одно и то же отклонение, космология окажется перед крупнейшим пересмотром со времени открытия ускоренного расширения.

Самое удивительное здесь заключается в инструменте. Чтобы выяснить судьбу всей Вселенной, астрономы наблюдают за гибелью отдельных звезд. Почти три тысячи взорвавшихся белых карликов превратились в метки, расставленные вдоль миллиардов лет космической истории. И сейчас эти метки задают неудобный вопрос: действительно ли сила, определяющая будущее Вселенной, все это время оставалась неизменной?