Новые данные по темной энергии: приключения продолжаются

В конце прошлого года я писал о первых данных обзора DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), свидетельствующих о динамической природе темной энергии [1]. Недавно вышел второй релиз данных DESI — DR2 [2], где основные выводы вроде бы не изменились. Я предложил сделать доклад на эту тему на конференции памяти Олега Верходанова, из-за чего мне пришлось как следует зарыться в тему. При этом к моему энтузиазму по поводу первых результатов, свидетельствующих об эволюции темной энергии, добавилась доля скептицизма.

Напомним, есть два варианта темной энергии: вакуумоподобный (модель ΛCDM) и скалярно-полевой (квинтэссенция). В первом случае темная энергия стабильна, обладает уравнением состояния

p = –ε (р – давление, ε — плотность энергии)

и инвариантна относительно системы отсчета (лоренц-инвариантна). Во втором случае плотность темной энергии меняется со временем (в естественном случае уменьшается), лоренц-инвариантность отсутствует, а уравнение состояния имеет более общий вид:

p = ω ε (ω > –1 — квинтэссенция, ω < –1 — фантомная энергия)

Эти случаи радикально различаются в отношении будущего и едва различимы в прошлой эволюции Вселенной. Мы можем опереться только на прошлое, вылавливая ничтожную разницу между вариантами.

Как отмечалось в статье [1], в качестве линейки, измеряющей эту разницу, мы можем использовать так называемые барионные акустические осцилляции. Они проявляются в двухточечной корреляции между положением галактик в виде пика корреляционной функции на расстоянии чуть больше 100 Мпк (это очень большое расстояние — больше типичных элементов крупномасштабной структуры). Главное — мы точно знаем, каков истинный размер этой линейки при каждом красном смещении. Осталось измерить, как меняется угловой размер этой линейки с красным смещением — отсюда мы и вытащим уравнение состояния темной энергии.

Второй релиз данных DESI основан на 14 млн спектров галактик. Предыдущий включал 6 миллионов. Новые данные по корреляционной функции галактик выглядят великолепно (ср. рис. 1 с аналогичным рисунком из [1]). Результаты подгонки данных уравнением Фридмана при фиксированном уравнении состояния согласуются с вакуумным (ΛCDM) вариантом. Однако, если допустить изменение уравнения состояния с расширением Вселенной

ω = ω_о + ω_а(1–а)
(a – масштабный фактор Вселенной, в случае ΛCDM ω_о = –1, ω_а = 0), то лучшее согласие с данными выявляется при отклонении от вакуумного состояния.

Результат подгонки данных отражен на рис. 2 контурами 1σ и 2σ для разных наборов сверхновых, использованных как дополнительная опора. То есть наилучшее согласие с данными где-то при ω_о = от –0,8 до –0,6 и ω_а в районе –1. Статистическая значимость отклонения от модели ΛCDM колеблется от 3σ до 4σ в зависимости от набора сверхновых, использованных при подгонке данных. Это всё еще низкая значимость, но в данном случае отклонение следует воспринимать всерьез, если всё сделано чисто и отсутствует какая-то неучтенная систематика.

Если верить этим результатам, то будущее Вселенной радикально отличается от того, что предсказывает модель ΛCDM (рис. 3), и оно представляется более интересным, чем неограниченное экспоненциальное расширение. При этом прошлое Вселенной отличается незначительно, тот же рис. 3 демонстрирует, какую ничтожную разницу в истории Вселенной надо улавливать, чтобы найти отличие.

Однако мне кажется, что пить шампанское за интересное будущее Вселенной еще рано. Первое, что настораживает, — результат нефизичен для недавнего прошлого Вселенной. Рис. 4 показывает, что всего 4 млрд лет назад при тех же параметрах уравнение состояния темной энергии было фантомным, и это плохо.

При фантомном состоянии (ω < -1) плотность фантомной энергии растет с расширением Вселенной и в конце концов приводит к «большому разрыву». Но проблема не в этом. Фантомная энергия при соответствующем выборе системы отсчета становится отрицательной, что противоречит естественному принципу энергодоминантности. Более того, с ней возможны всякие трюки типа машины времени, нарушающие причинность, т. е. единственность истории Вселенной. Авторы статьи [2] понимают, что этот факт вносит дискомфорт, и дают комментарии. По их мнению, фантомное состояние может быть результатом статистической флуктуации либо некой неучтенной систематики.

Другое подозрение по поводу качества результатов: авторы не приводят в статье никаких величин, характеризующих качество подгонки. Чаще всего это значение χ² с количеством степеней свободы. При плохом χ² высока вероятность возникновения систематических ошибок.

Подчеркну, что высказанные сомнения — лишь сомнения, но не приговор. Например, фантомное состояние может быть лишь артефактом неудачной параметризации через ω_а. В такой ситуации особенно ощущается нехватка экспертов, подобных Олегу Верходанову. Остается ждать новых результатов, которые не за горами. На подходе данные космического телескопа «Евклид». Они уже выложили координаты примерно 30 млн галактик и нацелились на многие миллиарды. Правда, пока нет данных по их красным смещениям (по инсайдерской информации, команда еще борется с некоторыми проблемами по части спектроскопии). Но нет сомнений, что «косяки» будут побеждены, и мы получим гигантский массив данных и представление о судьбе нашей Вселенной.

Борис Штерн

1. www.trv-science.ru/2024/12/vselennaya-stala-vyglyadet-interesnee

2. arxiv.org/abs/2503.14738