Если вы когда‑либо слышали о «величайшей ошибке Эйнштейна» — скорее всего, речь шла о космологической постоянной. Это был поправочный коэффициент, который Эйнштейн ввёл в свои уравнения в 1917 году; с учётом такой постоянной Вселенная оставалась стационарной, четырёхмерной (три пространственных измерения + время), и в ней работали уравнения Эйнштейна. Космологическая постоянная действовала как фактор гравитации, не позволяя Вселенной ни схлопнуться в комок материи, ни развоплотиться. После того, как в 1929 году Эдвин Хаббл открыл закон расширения Вселенной (причём, это расширение идёт с ускорением), постулат о стационарности Вселенной был отброшен, и Эйнштейн признал космологическую постоянную своей величайшей ошибкой. Но после того, как в 1997–1998 годах две группы, одна под руководством Перлмуттера, другая — под руководством Шмидта и Рисса — открыли тёмную энергию, эту сущность отождествили с космологической постоянной. Поскольку тёмная энергия приводит к расширению Вселенной, очевидно, что она является антигравитационной. Но это сверхмалая величина, которая, по‑видимому, всё‑таки выше нуля; эта величина характеризует плотность энергии вакуума. Значение космологической постоянной составляет Λ = 1,089(29)⋅10−52 м−2, соответственно, плотность вакуума оценивается в 5,84⋅10−27 кг/м3.
В этой же статье я затрону некоторые факты, свидетельствующие в пользу того, что космологическая постоянная не является константой, и со временем меняется. Ранее на Хабре этот вопрос затрагивал уважаемый @SLY_G в статье «Ослабевает ли тёмная энергия? Новые данные подтверждают эту гипотезу». Давайте поговорим об этом подробнее.
С 1998 года не подвергается сомнению, что Вселенная расширяется с ускорением под действием тёмной энергии. Тёмная энергия (Λ) равномерно распределена в пространстве и везде обладает постоянной плотностью (альтернативная точка зрения изложена на Хабре в статье уважаемого Валерия Исаковского @valisak «Теория неоднородной Вселенной как альтернатива тёмной энергии»). Поскольку величина Λ всегда постоянна, пространство не истончается по мере расширения Вселенной. Напротив, чем больше пространство, тем больше заключённый в ней объём тёмной энергии.
Тем не менее, к началу 2020-х (с повышением точности измерений) начали накапливаться признаки, позволяющие предположить, что тёмная энергия меняется с течением времени.
Вероятно, большинству читателей уже встречалась в том или ином виде следующая круговая диаграмма, иллюстрирующая соотношение тёмной энергии, тёмной материи и обычной материи в наблюдаемой части Вселенной. Эта картина строится на основе измеряемых масс галактик и скорости их разбегания (то есть, расширения Вселенной).
Картина была немного уточнена по результатам работы космического телескопа «Планк», работавшего на орбите с сентября 2009 по октябрь 2013 года.
Эта космологическая модель, сегодня являющаяся общепризнанной, называется ΛCDM [где «лямбда» соответствует космологической постоянной/тёмной энергии, а CDM означает «cold dark matter» (холодная тёмная материя). Примерное распределение именно таково: около 70% содержимого Вселенной приходится на тёмную энергию, 25% — на тёмную материю, 5% — на обычную (барионную) материю. В прошлом году уважаемый @valisak разбирал на Хабре современные представления об этом соотношении в статье «Вопросы о тёмной энергии: нужна ли она, можно ли её заменить чёрными дырами, и меняется ли она со временем». Там же он рассказывает и об обсерватории DESI, которой я коснусь ниже. Существуют три космологических источника, независимо подтверждающих друг друга и свидетельствующих в пользу именно такой картины мира.
Реликтовое излучение (РИ), также называемое по образцу англоязычных источников «космический микроволновый фон». Это крайне изотропный (однородный) энергетический фон, являющийся последним отсветом Большого Взрыва. Неоднородности в реликтовом излучении встречаются не чаще, чем 1 раз на 30 000 частей, но именно они в соответствии с теорией Большого Взрыва позволили сформироваться звёздам и галактикам.
Сверхновые типа Ia — звёзды, физическое устройство и собственная яркость которых точно известны. Поэтому они служат астрономам «стандартными свечами», по красному смещению которых можно достоверно вычислить, насколько расширилась Вселенная с тех пор, как зажглась данная сверхновая.
Крупномасштабная структура Вселенной, определяющая, на каком расстоянии от конкретной галактики можно найти другую галактику, и с какой вероятностью. В этой структуре наблюдаются возмущения, именуемые «барионными акустическими осцилляциями».
Барионные акустические осцилляции (BAO) подобны реликтовому излучению и представляют собой остаток от звуковых волн, распространявшихся в заряженной плазме ещё до того, как образовался космический микроволновый фон, то есть, менее, чем через 380 000 лет после Большого Взрыва. Эти акустические колебания отпечатались в крупномасштабной структуре галактик и, наряду со стандартными свечами, свидетельствуют в пользу ускоряющегося расширения Вселенной. Но скорость расширения Вселенной по оптическим и акустическим данным не сходится, и это несоответствие называется «хаббловским напряжением».
В 2020-е годы для уточнения темпов расширения Вселенной были задействованы два основных научных проекта. Во‑первых, в 2021 году начал работу космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST), который лишь усложнил проблему хаббловского напряжения; по его данным, в течение очень краткого раннего периода Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем сейчас. На кончике пера это явление было предсказано ещё в 2019 году, когда американские учёные под руководством Вивиана Пулина ввели термин «ранняя тёмная энергия» (EDE). Так впервые стала всерьёз рассматриваться возможность, что тёмная энергия может со временем ослабевать. Более свежее исследование, проведённое в Университете Чикаго, основана на анализе данных, полученных с 2021 по 2025 год в рамках проекта Dark Energy Survey (Обзор Тёмной Энергии), выполненном на телескопе Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) в обсерватории Китт‑Пик в штате Аризона. Ранее на Хабре об этом телескопе подробно рассказывал уважаемый @wmlab в статье «Пять тысяч глаз DESI». Этот телескоп содержит 5000 независимых оптических элементов, каждый из которых в процессе работы направлен на конкретную галактику и измеряет расстояние до неё. Таким образом, к середине 2026 года этот аппарат позволил измерить расстояние до 14 миллионов галактик, с учётом информации как по сверхновым (стандартным свечам), так и по барионным акустическим осцилляциям. Собранная им информация действительно позволяет предположить, что космологическая постоянная со временем варьируется.
Как хорошо объяснено в статье уважаемого Алексея Левина «Астрофизикам не удаётся снизить хаббловское напряжение», при измерении космологической постоянной по стандартным свечам и по неоднородностям реликтового излучения мы просто сравниваем два принципиально разных множества данных, слишком сильно отстоящих друг от друга во времени. 380 000 лет после Большого Взрыва — это такая глубокая древность, по сравнению с которой большинство известных сверхновых зажглись совсем недавно, в пределах последних 2 миллиардов новейшей истории Вселенной. Разница между отсечками в 13,8 и 3 миллиарда лет назад, а тем более между формированием барионных осцилляций и новейшими взрывами сверхновых, от которых нас отделяют сотни лет — это разница в разы и на порядки.
Возможно, сравнивать красное смещение космического микроволнового фона и стандартных свеч просто некорректно, либо в период, указанный на этой иллюстрации как серый промежуток между 380 000 и 3 миллиардами лет после Большого Взрыва произошло какое‑то событие, из‑за которого расширение Вселенной резко замедлилось. Значение космологической постоянной составляет 73,29±1,15 (км/сек)/мегапарсек, если измерять её по взрывам сверхновых, либо может быть ближе к 69,8±0,8 (км/сек)/Мпк, 71,5±1,8 (км/сек)/Мпк и 73,22±2,06 (км/сек)/Мпк (согласно другим оценкам). Выше я уже упоминал теорию неоднородной Вселенной, а кроме неё возможны ещё некоторые экзотические объяснения этого несоответствия, на которых я остановлюсь ниже.
Возможно, со временем меняется общий объём энергии, содержащейся во Вселенной, то есть, Вселенная подпитывается извне.
Возможно, тёмная энергия со временем затухает, либо варьируется так, как описывает теория пульсирующей Вселенной.
Может быть, на изменение космологической постоянной влияют какие‑то метаморфозы, происходящие с тёмной материей.
Для полноты картины приведу такой разброс значений космологической постоянной, которые основаны на измерении флуктуаций реликтового излучения по данным телескопа «Планк».
Эта картина может означать, что сейчас во Вселенной меньше тёмной энергии, чем раньше. Если тёмная энергия действительно тождественна энергии вакуума и возникает из кипения квантовой пены, то есть, из непрерывного рождения и аннигиляции виртуальных частиц, то затухать может именно этот процесс, и в таком случае общая энергия вакуума снижается.
Но в апреле 2024 года в журнале «Physical Review D» вышло ещё более удивительное исследование, проделанное командой из Фессалоникийского университета во главе со Стилианосом Циилиукасом. Статья называется «Dark energy from topology change induced by microscopic Gauss‑Bonnet wormholes» и связывает варьирование энергии вакуума со спонтанным возникновением микроскопических червоточин Гаусса‑Бонне. Формула Гаусса‑Бонне описывает изменение кривизны трёхмерного пространства, а сами такие червоточины, по мнению авторов статьи, являются такими же квантовыми объектами, как и виртуальные частицы. Процесс должен напоминать рождение частиц у горизонта событий чёрной дыры. Но в отличие от частиц такие червоточины не являются точечными объектами, и их невозможно точно описать без привлечения квантовой гравитации, теория которой в настоящее время отсутствует. Тем не менее, авторы полагают, что, если каждую секунду спонтанно возникает около 10 миллиардов таких миниатюрных червоточин на кубический сантиметр пространства, то этот процесс объясняет наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной и согласуется со значением космологической постоянной.
Заключение
Тёмная энергия, безусловно, реальна. Это сила, подпитывающая постоянное ускоряющееся расширение Вселенной. Ранее на Хабре я писал о нетрадиционном объяснении тёмной энергии через возможное вращение Вселенной, но здесь будем исходить из того, что тёмная энергия — это единственный фактор расширения Вселенной и единственный известный антигравитационный фактор. При современной плотности вакуума, который вполне может быть ложным, тёмной энергии достаточно для ускоряющегося расширения Вселенной.
Не исключено, что кажущееся ослабевание тёмной энергии обусловлено систематической ошибкой в измерениях, и космологическая постоянная действительно является константой. Существует неподтверждённая теория, сформулированная в конце прошлого века, которую отстаивает, в частности, доктор Джошуа Фриман из университета Чикаго, согласно которой тёмная энергия — это результат воздействия неизвестного поля, переносчиками взаимодействия в котором являются некие пока не открытые бозоны. Наконец, тёмную энергию можно объяснить воздействием соседних вселенных в нашей части Мультивселенной — эта точка зрения описана, например, здесь. При всей фантастичности некоторых из упомянутых здесь гипотез (поставлю, пожалуй, хаб «Научная фантастика») уточнение космологической постоянной — важная работа, которая может приблизить нас и к теории квантовой гравитации, и к пониманию нашего истинного положения в мироздании.
Загрузка...
