Просветление темной энергии: Вселенная стала выглядеть интереснее

В потоке дутых и зачастую безграмотных сенсаций про старение света, про опровержение теории Большого взрыва и нарушение всевозможных основ космологии мало кто пока обратил внимание на действительно важную и потенциально сенсационную новость: темная энергия — скорее всего, не имманентное свойство вакуума или лишний член в уравнениях общей теории относительности, а физическое поле со своей естественной динамикой. Такой вариант темной энергии укладывается в стандартную ΛCDM-модель, он называется «квинтэссенция» и делает судьбу Вселенной гораздо более интересной, чем вечное экспоненциальное расширение.

Речь идет о новом релизе коллаборации DESI¹, что расшифровывается как Dark Energy Spectroscopic Instrument². Основной инструмент смонтирован на скромном наземном телескопе с четырехметровым зеркалом в обсерватории на горе Китт-Пик в Аризоне. Телескоп был полностью переоборудован под одну задачу — массовую спектроскопию галактик. Во-первых, с помощью корректирующей оптики удалось добиться огромного поля зрения — 3° в диаметре. Во-вторых, создана спектроскопическая система, позволяющая одновременно снимать спектры множества галактик: в фокальной плоскости располагается 5 тыс. светоприемников, которые автоматически позиционируются на галактиках. От каждого светоприемника идет 50-метровое оптоволокно к одному из спектрографов. В планах — получение 30 млн галактических спектров, сейчас отработаны 6 млн галактик — пятая часть, чему и посвящен релиз.

Чем важен этот проект? Спектры галактик дают их красное смещение, по которому определяется расстояние. Таким образом получается трехмерная карта Вселенной, точно отражающая ее крупномасштабную структуру. Крупномасштабная структура в свою очередь несет следы пертурбаций, происходивших в ранней Вселенной, зависит от ее современного содержимого и, что особенно важно, чувствительна к физическим законам, которым подчиняется содержимое Вселенной. Именно поэтому столько внимания уделяется исследованию крупномасштабной структуры.

Предшественник DESI — Слоановский цифровой обзор неба (SDSS). Там получено под миллион спектров галактик и уже найдены важные космологические зацепки, прежде всего — так называемые барионные акустические осцилляции (BAO). Акустические осцилляции — идея А. Д. Сахарова — в ранней Вселенной амплитуда неоднородностей зависела от масштаба интересным образом: контраст неоднородностей в зависимости от их размера описывался осциллирующей кривой³. Это прекрасно видно на разложении карты реликтового излучения по угловым гармоникам (рис. 1). Там выделяется главный пик на угловом размере пятен около 1°. Оказывается, эти неоднородности не «рассосались» — они выжили до настоящего времени и видны в двухточечной корреляции галактик: вероятность найти галактику на расстоянии примерно 100 Мпк от данной существенно превышает ожидание для равномерного распределения в пространстве и имеет отчетливый пик. Горб на рис. 2 — отражение главного пика на рис. 1, и то, и другое — барионные акустические осцилляции, но термин BAO приклеился именно к горбу на рис. 2. Масштаб пика на рис. 1 — порядка 100 кпк, на рис. 2 — около 100 Мпк, что не удивительно, так как со времен, отраженных на рис. 1 (380 тыс. лет от Большого взрыва) до настоящего времени Вселенная расширилась в 1100 раз.

Получается, что на двух рисунках изображена одна и та же масштабная линейка, растянувшаяся вместе со Вселенной. Это важная дополнительная точка, на которую опирается физическое описание нашей Вселенной, модель, которая называется ΛCDM. В этом названии Λ отражает темную энергию, действие которой эквивалентно Λ-члену в уравнениях Эйнштейна, CDM — cold dark matter, хотя тут возможны варианты, и для описания Вселенной подходит не только холодная, но и слегка теплая темная материя. Именно модель ΛCDM в последнее время послужила объектом атак со стороны дерзновенных интерпретаторов данных космического телескопа «Джеймс Уэбб».

Текущие результаты DESI изложены в восьми препринтах, где очень много места посвящено методике измерений, всяческим перекрестным проверкам, включающим фиктивные (mock) каталоги для выявления возможной систематики. Читать их очень тяжело, так как они написаны наспех, перенасыщены аббревиатурами, в том числе и такими, что нигде в данном препринте не расшифрованы — типичное изложение результатов, когда проделана огромная работа, а сил на ясное изложение не хватило.

Вкратце текущие результаты таковы.

Постоянная Хаббла примерно совпадает с результатами, опирающимися на данные «Планка» по реликтовому излучению: Н = 68,40 ± 0,27 (км/с)/Мпк. Таким образом, Адам Рисс со своим результатом Н ~ 73 (км/с)/Мпк, полученным по сверхновым, оказывается во всё большей изоляции. То есть «хаббловская напряженность» не то, чтобы «рассасывается», но всё больше подозрений сгущается вокруг методики измерения постоянной Хаббла только по сверхновым.

Общая теория относительности в своем классическом варианте описывает данные по крупномасштабной структуре лучше модификаций типа модифицированной ньютоновской динамики MOND. И это не говоря уж о том, что подобные модификации абсолютно бесполезны для объяснения роста возмущений в ранней Вселенной.

Сумма масс нейтрино меньше 0,071 эВ.

В целом модель ΛCDM остается нерушимой.

Но это всё ожидаемая рутина. Реально важный результат звучит действительно сенсационно: появились сильные указания на то, что темная энергия — не вакуум! Что это значит?

Вакуумное уравнение состояния, будь то настоящий вакуум или стабильное скалярное поле, находящееся в минимуме потенциала, натянуто — его давление отрицательно, причем натяжение в точности равно плотности энергии. Это выражается соотношением p = –ε, где p — давление (отрицательное в данном случае), ε — плотность энергии (положительная). При таком уравнении состояния и давление, и плотность энергии не меняются при изменении системы отсчета — они лоренц-инвариантны. То есть свое движение через пространство с таким уравнением состояния обнаружить невозможно. Стоит немного изменить это соотношение — и лоренц-инвариантность исчезает. Уравнение состояния можно параметризовать как p = w ε. В случае «весящего» вакуума w = –1. Согласно новому релизу DESI получается, что в данный момент w₀ = –0,761 ± 0,065 (это при использовании максимального набора данных разного характера). Это еще не 5σ, когда можно уверенно заявлять об открытии, но уже очень серьезно. В предыдущем релизе DESI этот результат уже наметился, сейчас он окреп.

Как получен этот результат? Есть хорошая масштабная линейка Вселенной, возникшая благодаря так называемым сахаровским осцилляциям — идея, выдвинутая А. Д. Сахаровым⁴. Эти осцилляции дают выделенный масштаб — пики и провалы в распределении неоднородностей ранней Вселенной по своему размеру. Они прекрасно видны в разложении карты реликтового излучения по угловым гармоникам.

Главный пик на угловом размере 1° соответствует линейному размеру пятен во время рекомбинации (380 тыс. лет) около 100 кпк. С тех пор Вселенная расширилась в 1100 раз и эти неоднородности растянулись до 100 Мпк. Оказывается, в современной структуре Вселенной тот ранний пик не «замылился» — он виден как шишка в двухточечной корреляции галактик. Эта шишка называется BAO — барионные акустические осцилляции.

Это тоже масштабная линейка, та же самая, что и пик в реликтовом излучении, только растянутая в соответствии с расширением Вселенной. Команда DESI измерила положение этого пика для разного возраста Вселенной — получилось, что эволюция длины линейки со временем соответствует уменьшающейся плотности темной энергии. Из этого уменьшения и выведено уравнение состояния — они завязаны через уравнение Фридмана. Более того, непосредственно видно, как плотность темной энергии зависит от расширения Вселенной. Это дается расширенным соотношением: w = w₀ + w_a (1–a), где а — масштабный фактор (сейчас а = 1 в таком представлении). Оказывается, w_a заметно отличается от нуля: w_a = — 0,96 (^+0,30_–0,26)
(знак минус означает здесь ослабление натяжения с расширением Вселенной).

Я бы назвал этот результат не только важным, но и позитивным. Признаюсь, я ждал и верил в него (хотя надо плюнуть через левое плечо: для окончательной уверенности нужны другие подтверждения). Сейчас объясню, почему.

Вакуум в квантовой теории поля — довольно сложная конструкция. Он заполнен нулевыми колебаниями всех полей, несущих как положительную (бозоны), так и отрицательную (фермионы — море Дирака) энергию. Нет никаких идей насчет того, почему их сумма должна равняться нулю. В современных представлениях она может быть любой — от плюс до минус планковской плотности. Плотность темной энергии –10^–8 эрг/см³, или в единицах массы — грамм в объеме Нептуна. Планковская плотность на 120 порядков больше. Если плотность темной энергии и есть плотность теоретико-полевого вакуума, то непонятно, как она получилась такой малой, но не нулевой. Для объяснения народ привлекает антропный принцип: одна из 10¹²⁰ хаотически рожденных вселенных случайно оказалась с такой низкой плотностью, что в ней стала возможна жизнь, а в другой (хотя там допустим люфт раз в десять) мы бы и не смогли появиться. Мне это кажется некрасивым — объяснять наблюдаемую величину ценой 10¹²⁰ бесплодных попыток — ну, правда, некрасиво, хотя формально не подкопаешься. И вот оказывается, что это не энергия вакуума, а энергия физического поля, «разлитого» в этом вакууме. А сам вакуум, вполне возможно, имеет строго нулевую энергию. И тут уже не привлечешь антропный принцип как палочку-выручалочку. Надо напрягаться и думать.

Второй позитивный факт — Вселенная становится интересней, а ее судьба не столь унылой, как в случае вечного расширения с постоянным ускорением.

Всё может выглядеть примерно так.

Темная энергия медленно ослабевает. Это называется «режим медленного скатывания» — медленного, потому что в уравнении для такого поля есть член типа трения, пропорциональный постоянной Хаббла. По мере ослабевания поля уменьшается постоянная Хаббла, трение ослабевает, поле скатывается быстрей. В конце концов оно начинает колебаться и «выгорает» в частицы. Это происходило в момент первой инфляции, сформировавшей нашу Вселенную, примерно то же самое произойдет снова. Темная энергия превратится в какие-то частицы, это будет новый «Большой взрыв», с той разницей, что температура и плотность будут низкими.

В какие частицы «выгорит» темная энергия? Самое неинтересное — если только в фотоны, но если на низком энергетическом масштабе существует новая иерархия частиц — возникнет новый мир. При этом с нашим миром ничего не произойдет — в нем еще триллион лет, в принципе, могут жить существа из белков. Это, конечно, то, что называется «спекуляции», но в любом случае Вселенная стала выглядеть интересней.

Борис Штерн

¹ См. desi.lbl.gov/2024/11/19/desi-y1-results-nov-19-guide/ и сопутствующие ссылки.

² desi.lbl.gov

³ trv-science.ru/2011/07/masshtabnaya-linejka-vselennoj

⁴ trv-science.ru/2011/07/masshtabnaya-linejka-vselennoj