У пошуках темної енергії. Як проєкт DESI кидає виклик нашим уявленням про Всесвіт

Стандартна космологічна модель ґрунтується на припущенні про прискорене розширення Всесвіту і стабільну силу каталізатора цього процесу — темної енергії. Саме такий погляд на будову Всесвіту донедавна мав найбільше прихильників. Запущений у 2021 році  міжнародний проєкт DESІ мав доповнити знайому гіпотезу, але все пішло шкереберть. 

У 2024 році команда проєкту обережно заявила, що знайшла натяк на динамічну природу темної енергії: схоже, вона не є сталою і може змінюватися з плином часу. А цього року DESI оприлюднила низку паперів на підтвердження своїх висновків. Якщо вірити новим даним, впродовж останніх 4,5 млрд років темна енергія слабшає. Що це означає для науки і долі Всесвіту, читайте в матеріалі SPEKA. 

Спадок Ейнштейна 

Перший натяк на існування певного космічного явища, що чинить супротив гравітації, з'явився в рівняннях Альберта Ейнштейна. Працюючи над Загальною теорією відносності, фізик не розглядав варіанти ані розширення, ані стискання Всесвіту. Щоб математично пояснити статичну структуру Всесвіту, в рівняння довелось додати абстрактну величину Λ — космічну сталу, яка описувала ефект антигравітації й мала однакове значення будь-якій точці просторово-часового континууму. Сам Ейнштейн вважав такий прийом сумнівним і зовсім ним не пишався, тож коли у 1920-х роках з'явились перші докази розширення Всесвіту, вчений з полегшенням викинув зі своїх рівнянь дивний коефіцієнт. Ейнштейн помер в 1955 році, не здогадуючись, що згодом його космічну сталу не лише реабілітують, а й візьмуть за основу найпопулярнішою моделі Всесвіту.

Стандартна космологічна модель  сформувалась наприкінці минулого століття, коли з'явилась технічна можливість спостерігати далекі космічні об'єкти та обробляти великі набори даних. Вирішальним стало опубліковане в 1998 році дослідження наднових зір — стандартних маркерів («свічок») для визначення космічних відстаней. Результати свідчили, що Всесвіт не просто розширюється: він розширюється прискорено. Феномен пояснили наявністю темної (невідомої) антигравітаційної форми енергії, що становить близько двох третин сукупної космічної густини (68% за сьогоднішніми даними), має від'ємний тиск і постійну щільність, яка не залежить від розміру Всесвіту — тобто не змінюється в часі і просторі, як і вважав Альберт Ейнштейн.

В 2011 році автори дослідження Сол Перлматтер, Браян Шмідт і Адам Рісс отримали Нобелівську премію. Втім зараз професор Рісс є одним з найпослідовніших критиків стандартної моделі. Як виявилось, побудовані на ній обчислення можуть давати похибки  в залежності від того, яку епоху розвитку Всесвіту чи які космічні об'єкти розглядають вчені. Вочевидь, щоб докопатися до правди, треба зібрати якомога більше даних. За словами Рісса, нещодавно опубліковані результати DESI він читав з посмішкою на обличчі — і аж ніяк не саркастичною.

Підписуйтеся на наші соцмережі

Скринька Пандори 

Науковці DESI створили найбільшу на сьогодні тривимірну мапу Всесвіту, де відображені 18,7 млн об'єктів: 13,1 млн галактик, 1,6 млн квазарів і 4 млн зір. Таким чином вперше вдалось дослідити ефект темної енергії впродовж майже всієї історії Всесвіту — за останні одинадцять з чотирнадцяти мільярдів років після Великого вибуху.

Як розповідає Уільям Елберс, співкерівник робочої групи DESI з тестування космологічних моделей, відстані між молодими галактиками виявились набагато меншими, ніж можна було очікувати. Загалом аналіз кластеризації і розбігання космічних структур показав, що дія темної енергії дуже далека від константи. Після зародження Всесвіту вона стрімко набирала силу, сягнула піку близько 4,5 млрд років тому, а потім несподівано пішла на спад. Вчений наголошує, що швидкість розширення космосу все ще зростає, але не так драматично, як в ранній період. 

В контексті стандартної моделі космологічна константа Λ означає співвідношення тиску темної енергії до її густини і має постійне значення: -1. В альтернативних моделях, що заперечують стабільність темної енергії, замість сталої Λ зазвичай використовують параметр w(z), де w — це співвідношення тиску до густини, а z — червоний зсув (розтягування світлових хвиль в процесі розширення простору). Якщо значення w(z) менше -1, то енергія зростає, якщо більше — слабшає. Такі варіанти називаються «фантомною енергією» і «квінтесенцією» відповідно. Це дві окремі гіпотетичні моделі, жодна з яких не має серйозних доказів. А про те, щоб їх поєднати, донедавна не йшлося взагалі, тож частина наукової спільноти сприймає результати DESI скептично. 

«Більшість фізиків вам скажуть, що це чисте божевілля. Необхідно перевірити всі можливі альтернативні варіанти інтерпретації результатів. Еволюція темної енергії — це останнє, у що я повірю». — заявляє доцент кафедри фізики Каліфорнійського університету в Сан-Дієго Деніел Грін.

Науковці DESI визнають, що й самі не  розуміють причину ослаблення темної енергії і не знають, чи не повернеться вона знову в агресивний «фантомний» стан. 

Стандартна космологічна модель передбачає, що через десятки мільярдів років прискорене розширення призведе до загибелі Всесвіту внаслідок «Великого розриву» матерії та просторово-часового континууму загалом. В разі згасання темної енергії цей процес має сповільнитись і, можливо, навіть перейти в протилежний — стискання Всесвіту до стану сингулярності, аналогічному тому, що був до Великого Вибуху.

«Ми відкрили скриньку Пандори і скоро побачимо багато нових теорій», —  прогнозує професор з астрофізики Мустафа Ішак Бушахі, один з провідних науковців DESI. 

Вже наприкінці 2025 року DESI планує презентувати новий звіт — цього разу на базі аналізу 50 млн галактик і квазарів. 

До проєкту DESI залучені майже 1000 фахівців зі всього світу, а центр спостережень знаходиться в американській Національній обсерваторії на вершині Кітт-Пік в пустелі Сонора. Там встановлений новаторський спектроскопічний інструмент з дослідження темної енергії (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI). Прилад має 5000 роботизованих сенсорів, що вловлюють світло в спектрі від 360 до 980 нанометрів і регулярно змінюють кут огляду.

«Схоже, людство дотепер має абсолютно хибні уявлення і про темну енергію, і про Всесвіт загалом. Ми зробимо все можливе, щоб нарешті знайти відповіді», — обіцяє DESI.