Астрофизики стоят на пороге потенциальной научной революции, способной перевернуть фундаментальные представления о судьбе и эволюции космоса. Свежие данные масштабного космологического эксперимента указывают на то, что плотность темной энергии — таинственной силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением, — возможно, снижается со временем. В рамках программы World Science Festival известный физик-теоретик Брайан Грин (Brian Greene) обсудил эти интригующие результаты с директором проекта DESI Майклом Леви (Michael Levy).
🌌 Открытие, изменившее космологию: от Эдвина Хаббла до Нобелевской премии 3:00
Долгое время в астрофизике господствовало убеждение, что расширение Вселенной, обнаруженное Эдвином Хабблом в 1930-х годах, должно постепенно замедляться под действием гравитационных сил. Как вспоминает Майкл Леви, ученые, включая его коллегу Сола Перлмуттера (Saul Perlmutter), изначально ставили перед собой задачу измерить скорость этого замедления, предполагая два возможных сценария: постепенную остановку расширения в бесконечности или финальное сжатие Вселенной в так называемый «Большой хруст» (Big Crunch).
Однако в 1998 году две независимые группы астрономов под руководством Сола Перлмуттера, Адама Рисса (Adam Riess) и Брайана Шмидта (Brian Schmidt) совершили ошеломляющее открытие: Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее. В 2011 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии по физике. Открытие базировалось на наблюдениях за сверхновыми типа Ia, выполнявшимися в роли «стандартных свечей». Леви отмечает, что научное сообщество поначалу отнеслось к результатам с осторожностью, подозревая ошибки калибровки или влияние космической пыли, но одновременная публикация выводов двумя независимыми командами сняла эти сомнения.
Для объяснения этого феномена в уравнения Эйнштейна была возвращена космологическая константа ($\Lambda$), описывающая неизменную энергию вакуума с эффектом антигравитации. Однако значение этой константы в естественных единицах оказалось поразительно малым — ноль с примерно 120 нулями после запятой и единицей на конце. По словам Леви, объяснить такое число фундаментально крайне сложно, что заставило теоретиков еще 20 лет назад предположить: возможно, темная энергия не постоянна, а эволюционирует во времени.
📐 Новая космическая линейка: барионные акустические осцилляции 11:32
Чтобы проверить гипотезу о временной зависимости темной энергии, команде Майкла Леви требовался принципиально новый и более надежный астрономический метод, нежели замер яркости сверхновых. Им стала так называемая «стандартная линейка» (standard ruler), основанная на явлении барионных акустических осцилляций (BAO).
Суть этого механизма Леви и Грин объясняют через физику ранней Вселенной:
- Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва горячая плазма, состоящая из электронов, протонов и фотонов, остыла настолько, что частицы рекомбинировали в нейтральный водород.
- До этого момента в плазме бушевали акустические волны — гравитация стягивала вещество внутрь, а излучение фотонов выталкивало его наружу, создавая колебания, подобные колебаниям мембраны барабана.
- В момент рекомбинации свет отделился от материи, а волновые «пузыри» плотности мгновенно застыли в пространстве, оставив свой отпечаток на распределении будущих галактик.
Этот замерзший узор плотности имеет строго определенный физический масштаб. Статистически в распределении галактик обнаруживается избыток плотности на определенном расстоянии — около 150 мегапарсек. Поскольку эти структуры расширяются вместе с тканью пространства, они служат идеальным инструментом для отслеживания истории расширения космоса на протяжении миллиардов лет.
🤖 Роботизированный картограф: как устроен инструмент DESI 24:20
Для реализации этой задачи был создан Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI) — прибор, монтируемый на телескопе и создающий трехмерную карту Вселенной, уходящую в прошлое на 11 миллиардов лет. В отличие от прошлых экспериментов, таких как Слоановский цифровой обзор неба (SDSS), где оптические волокна устанавливались вручную в просверленные отверстия в алюминиевых пластинах, DESI полностью автоматизирован.
Технологическое устройство DESI включает в себя:
- Роботизированную фокальную плоскость, разделенную на 10 секторов, в которой размещено 5000 миниатюрных позиционирующих роботов.
- Каждый робот управляется компьютером и может вращаться в пределах своего радиуса патрулирования, с ювелирной точностью наводя оптическое волокно на заранее известную галактику.
- Сверхчувствительные кремниевые матрицы и датчики собственной разработки, способные улавливать и регистрировать буквально один-два фотона за раз.
По словам Леви, вся конструкция насчитывает четверть миллиона движущихся деталей. Предыдущие попытки создания подобных роботизированных систем у других научных групп часто оказывались неудачными из-за колоссальной инженерной сложности. DESI же продемонстрировал превосходные оптические показатели. Каждое наведение на цель и сбор фотонов занимают около 20 минут. В пиковые ночи инструмент способен измерять спектры до 200 000 галактик, что позволяет за один час собрать объем данных, сопоставимый с результатами десятилетней работы астрономов прошлых поколений.
🔥 Через пандемию и лесные пожары: хроники выживания обсерватории 35:50
История проекта DESI полна драматических событий. Назначенный директором в 2012 году, Майкл Леви добился включения проекта в бюджет Конгресса США в 2015 году, а фаза «первого света» наступила в 2019 году. Однако на этапе ввода в эксплуатацию в марте 2020 года началась пандемия COVID-19, и эксперимент пришлось экстренно законсервировать. Ученые закрывали сложнейшую технику защитными тентами и пластиком, отключали криогенные системы охлаждения и заполняли вакуумные камеры очищенным воздухом, не зная, когда смогут вернуться к работе. Вынужденная изоляция подтолкнула команду к переписыванию кодов, что позволило перевести управление этим гигантским комплексом в полностью удаленный режим прямо из домашних офисов сотрудников.
Работа возобновилась в мае 2021 года, но уже через год, в июне 2022 года, проекту нанес удар мощный лесной пожар Контрерас (Contreras Fire) в горах Китт-Пик недалеко от Тусона, штат Аризона. Сезонные муссоны принесли сухие грозы, и молния подожгла сухую траву. Огонь уничтожил более 24 тысяч акров леса, добравшись до самой платформы обсерватории. Из-за пожара отключилось электричество и веб-камеры, и команда всерьез опасалась полной потери оборудования. Благодаря самоотверженности 75 пожарных, удерживавших рубежи, телескоп был спасен, отделавшись лишь слоем пепла на главном зеркале, который впоследствии успешно удалили.
👁️ Результаты «слепого анализа»: темная энергия меняется во времени? 44:28
В основу первых обнародованных результатов легли данные, собранные за первый год работы, охватывающие спектры 6 миллионов галактик и квазаров на площади в треть ночного неба. Окончательная цель пятилетнего обзора — составить карту из 40 миллионов объектов.
Для исключения предвзятости подтверждения (confirmation bias), когда исследователи подсознательно подгоняют результаты под устоявшуюся модель, команда применила метод «слепого анализа» (blind analysis). Один из участников коллаборации намеренно исказил исходный каталог пространственных координат галактик. В течение целого года вся остальная команда проводила тесты, сверки и калибровки на этих ложных данных, не зная финального ответа.
Рассекречивание реальных данных (unblinding) состоялось 6 декабря 2023 года. Снятие маскировки показало:
- Полученные маркеры отклоняются от стандартной статической модели Lambda-CDM на величину около 2,5 сигма (статистическая значимость).
- Чистые данные DESI указывают на то, что динамика расширения Вселенной лучше описывается не константой, а меняющейся во времени кривой.
- При объединении результатов DESI с данными космического телескопа Planck (карта реликтового излучения) и моделями первичного нуклеосинтеза Большого взрыва, значимость отклонения возрастает до 3–3,5 сигма.
Леви подчеркивает, что в физике уровень 2,5–3,5 сигма (вероятность случайной флуктуации примерно 1 из 400) считается «интригующим указанием», но не официальным открытием. Для признания открытия необходим золотой стандарт в 5 сигма. Тем не менее, у команды уже накоплены данные за последующие два года наблюдений, которые сейчас активно обрабатываются в режиме нового «слепого анализа».
🔮 Квинтэссенция или циклическая модель: что ждет Вселенную в будущем 1:02:20
Если новые данные подтвердятся и достигнут порога в 5 сигма, это повлечет радикальный пересмотр космологических моделей. Технический график DESI, отображающий историю космоса от современности до отметки в 13,6 миллиардов лет назад, показывает, что на ранних этапах эволюции существовало некое «избыточное давление», ускорявшее разлет галактик, которое затем начало ослабевать.
По мнению Майкла Леви, этот феномен может быть напрямую связан с эпохой космической инфляции в первые мгновения Большого взрыва, когда Вселенная также испытывала колоссальное, но нестабильное и быстро изменившееся во времени ускорение. В настоящее время физики-теоретики активно изучают альтернативные сценарии:
- Модели «квинтэссенции» (quintessence), постулирующие наличие динамического скалярного поля, чья плотность энергии плавно падает со временем.
- Модели замерзания и оттаивания темной энергии (thawing and freezing models).
- Циклические или осциллирующие модели, в которых текущее замедление ускорения — лишь первая волна глобального колебательного процесса, способного в будущем смениться сжатием и повторением цикла.
Брайан Грин резюмирует, что подтверждение распада темной энергии станет «золотой жилой» для теоретической физики. Это сотрет представление о космологической константе как о мертвой цифре и откроет путь к созданию единой, внутренне непротиворечивой картины зарождения, эволюции и финала нашей Вселенной.
