Темная энергия уже не константа? Новые данные намекают: наша модель Вселенной устарела
Вселенная — место удивительное и, честно говоря, довольно странное. Мы вроде бы привыкли к картине мира, где звезды и галактики разлетаются друг от друга, причем делают это все быстрее. Виновником этого космического ускорения долгое время считалась загадочная «темная энергия» — некая постоянная сила, равномерно разлитая по всему пространству, этакий антигравитационный двигатель Вселенной. Эта идея, воплощенная в так называемой стандартной космологической модели (ΛCDM), десятилетиями служила нам верой и правдой, объясняя множество наблюдений. Но что, если эта привычная картина неполна? Что, если главный двигатель расширения — не такой уж и постоянный?
Привычная картина мира дает трещину
Основа нашего понимания эволюции космоса — модель ΛCDM. Она довольно элегантно делит содержимое Вселенной на три части: обычная материя (звезды, планеты, мы с вами — всего лишь около 5%), неуловимая темная материя (около 27%), которая не светится, но гравитационно «держит» галактики вместе, и доминирующая темная энергия (около 68%). В этой модели темная энергия представлена космологической постоянной (лямбдой, Λ), введенной еще Эйнштейном. Она означает, что плотность этой энергии не меняется со временем, и именно она отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Звучит складно, не правда ли?
Однако недавние данные, полученные с помощью Спектроскопического инструмента темной энергии (DESI) в Аризоне, заставили ученых серьезно задуматься. DESI — это, по сути, гигантский 3D-картограф Вселенной. Он с беспрецедентной точностью измеряет положение миллионов галактик на разных этапах космической истории. Анализируя эти данные, космологи могут восстановить темп расширения Вселенной в прошлом. И вот тут-то и началось самое интересное.
Первые намеки появились еще в прошлом году, а недавний, более полный анализ трехлетних наблюдений DESI, похоже, подтверждает: темная энергия, возможно, ведет себя не так постоянно, как мы думали. Данные указывают на то, что ее «сила» могла ослабевать со временем. Это значит, что ускорение Вселенной — не константа, а величина переменная. Пока что результаты не дотягивают до уровня стопроцентного открытия (в науке для этого нужны очень строгие статистические критерии), но они уже достаточно серьезны, чтобы вызвать, как выразился один из ученых, «шок» в научном сообществе. Стандартная модель, еще вчера казавшаяся незыблемой, вдруг оказалась под угрозой.
В поисках нового объяснения: От полей до пятой силы
Итак, если ΛCDM не справляется, то что может прийти ей на смену? Просто «подкрутить» старую модель, добавив пару новых параметров, как предложили некоторые? Возможно. Но многие физики считают такой подход не слишком удовлетворительным — он больше похож на «заплатку», чем на реальное физическое объяснение. Гораздо интереснее выглядят идеи, которые предлагают принципиально иной взгляд на природу темной энергии и даже гравитации.
Одна из таких идей — квинтэссенция. Представьте себе темную энергию не как некую неизменную константу, а как динамическое поле, пронизывающее всю Вселенную, подобно электромагнитному полю. Энергия этого поля может меняться со временем, плавно «перетекая» и влияя на расширение космоса. Что особенно привлекательно в этой идее — она не возникает из ниоткуда. Модели с полями квинтэссенции естественным образом появляются в рамках более фундаментальных теорий, таких как теория струн — одна из главных кандидаток на роль «теории всего». Если окажется, что темная энергия — это действительно квинтэссенция, это станет мощным аргументом в пользу теории струн.
Но есть и еще более радикальные предположения. Что, если дело не только в самой темной энергии, но и в том, как она взаимодействует с гравитацией? Некоторые исследователи, как, например, Ген Йе из Лейденского университета, разрабатывают модели вроде «оттаивающей гравитации». Суть в том, что сама гравитация, описываемая общей теорией относительности Эйнштейна, может начать вести себя иначе под влиянием изменяющегося поля темной энергии. Это не просто меняет правила игры — это вводит в игру нового игрока.
Педро Феррейра из Оксфорда идет еще дальше. Он и его коллеги считают, что объяснить данные DESI можно, только если допустить существование пятой фундаментальной силы природы (помимо гравитации, электромагнетизма и двух ядерных сил). Эта новая сила была бы связана с темной энергией и влияла бы на все во Вселенной, наравне с гравитацией. Представляете? Мы всегда думали, что гравитация — главный дирижер космического оркестра. А теперь оказывается, что у нее может быть конкурент!
Наука на распутье: Сложности и перспективы
Звучит захватывающе, не так ли? Но здесь начинается самое интересное и одновременно самое сложное. Если существует пятая сила, почему мы не замечаем ее проявлений здесь, на Земле, или в Солнечной системе? Орбиты планет выверены с поразительной точностью, и никаких отклонений от предсказаний общей теории относительности мы не видим. Чтобы обойти эту проблему, теоретикам приходится придумывать специальные «маскирующие» механизмы, которые скрывали бы действие пятой силы на малых масштабах, позволяя ей проявляться только в космических масштабах. Это, конечно, усложняет картину и вызывает резонный вопрос: а не слишком ли мы усложняем?
Другая серьезная проблема — текущие данные. Какими бы интригующими ни были результаты DESI, их точности пока недостаточно, чтобы однозначно выбрать между различными новыми теориями — будь то простая квинтэссенция, «оттаивающая гравитация» или модели с пятой силой. Как метко заметил Феррейра, сейчас несколько групп ученых могут предложить разные объяснения, и у нас просто не будет способа определить, кто прав, основываясь только на этих данных. Есть риск увязнуть в дебатах, основанных больше на личных предпочтениях, чем на фактах.
Что же дальше? Ответ прост и сложен одновременно: нужны новые, еще более точные данные. Ученые с нетерпением ждут следующих порций информации от DESI, которые должны появиться в ближайшие годы. Большие надежды возлагаются и на другие проекты, например, на космический телескоп Euclid Европейского космического агентства, специально созданный для изучения темной энергии. Возможно, ключ к разгадке дадут и наблюдения за так называемым слабым гравитационным линзированием — эффектом искривления света далеких галактик под действием гравитации массивных объектов. Если гравитация действительно ведет себя не так, как предсказывает Эйнштейн, это должно отразиться на том, как искривляется свет.
Заключение: В ожидании новой физики?
Мы живем в удивительное время для космологии. То, что казалось незыблемой основой нашего понимания Вселенной, вдруг пошатнулось. Намеки на то, что темная энергия непостоянна, открывают дверь для совершенно новых, порой радикальных идей о природе реальности, гравитации и фундаментальных сил. Конечно, пока рано говорить о революции — науке требуется время и неопровержимые доказательства. Но сам факт того, что мы всерьез обсуждаем возможность существования пятой силы или изменения законов гравитации, говорит о многом.
Возможно, мы стоим на пороге новой эры в физике, когда придется пересмотреть самые основы нашего мироздания. А может быть, будущие данные покажут, что все было проще, и стандартная модель все-таки устоит, пусть и с небольшими модификациями. В любом случае, поиск ответов продолжается, и он обещает быть невероятно увлекательным. Космос снова подкинул нам загадку, и разгадывать ее — одна из самых захватывающих задач для человеческого разума.