# Космологическая константа: как проекты DES и DESI изучают темную энергию Источник: https://www.youtube.com/watch?v=0Xkr3IGEpsk Канал: The Royal Institution Опубликовано: 10.09.2024 --- Изучение темной энергии и крупномасштабной структуры Вселенной сегодня представляет собой активную область науки, объединяющую сотни исследователей по всему миру. В своей лекции в The Royal Institution известный астрофизик Офер Лахав представляет обзор ключевых космологических открытий и результатов крупнейших международных проектов. Исследуя эволюцию космоса от Большого взрыва до наших дней, ученый объясняет, как современные измерения подтверждают гениальные догадки Альберта Эйнштейна и почему наша Вселенная расширяется с ускорением. ## 🌌 Введение в масштабы Вселенной: где мы находимся? [[JUMP:04:41]] Для понимания масштабов космологических исследований необходимо точно определить положение нашей планеты в пространстве. Земля вращается вокруг Солнца в системе, где сегодня официальная наука насчитывает восемь планет, поскольку Плутон со временем был лишен этого статуса. При этом, начиная с 1995 года, астрономическое сообщество открыло более 5000 экзопланет у других звездных систем. Наша Солнечная система расположена внутри галактики Млечный Путь, которая содержит около 100 миллиардов звезд. Около миллиарда из них были недавно подробно занесены в каталоги европейским космическим спутником Gaia. Земля находится в относительно ничем не примечательном месте галактики, на безопасном удалении от ее центра, где располагается сверхмассивная черная дыра массой около 4 миллионов масс Солнца. Современная астрономия переживает масштабный технологический переход в методах картографирования космоса. Если во времена студенчества Офера Лахава каталоги включали лишь тысячи галактик, то новые инструменты, такие как космический телескоп Джеймс Вебб (JWST), позволяют оперировать миллиардами объектов, каждый из которых содержит миллиарды звезд. ## 🌀 Загадка темной материи и наследие Веры Рубин [[JUMP:07:45]] Наша галактика вращается со скоростью 220 км/с. Однако оптические наблюдения показывают лишь «верхушку айсберга». Физические расчеты указывают на то, что Млечный Путь целиком погружен в гигантское гало темной материи, масса которого в десятки раз превышает массу видимого вещества. Существование этой невидимой субстанции было во многом доказано американским астрономом Верой Рубин. Она исследовала кривые вращения других галактик, измеряя зависимость скорости движения звезд от их расстояния до галактического центра. Согласно классическим законам Ньютона, скорость окраинных звезд должна снижаться, подобно тому как далекие планеты Солнечной системы движутся медленнее ближних к Солнцу. Однако наблюдения Веры Рубин показали, что скорость звезд на периферии остается практически постоянной или даже растет. Для объяснения этого феномена научное сообщество рассматривает две основные гипотезы: * Наличие массивного скрытого гало темной материи, внутри которого физически находится галактика. * Необходимость модификации закона всемирного тяготения Ньютона на больших масштабах (теория MOND). На сегодняшний день ведущей является теория темной материи, хотя физики-ядерщики на ускорителях до сих пор экспериментально не обнаружили саму гипотетическую частицу. ## ⏳ Хронология расширения Вселенной [[JUMP:10:10]] Согласно современным научным представлениям, возраст Вселенной составляет **13.8 миллиарда лет**. Вся ее история укладывается в последовательную хронологическую цепочку событий: 1. Большой взрыв и короткая эпоха космической инфляции в ничтожно малую долю первой секунды. 2. Формирование легких химических элементов (водорода, гелия и следов лития) в первые три минуты. 3. Появление реликтового излучения, когда Вселенная остыла и наконец стала прозрачной для света. 4. Образование темной материи, формирование первых галактик и последующее включение механизмов темной энергии. На больших масштабах галактики удаляются друг от друга, причем скорость их удаления пропорциональна расстоянию. Офер Лахав приводит аналогию с кексом с изюмом в процессе выпекания: каждый изюм видит, как остальные удаляются от него, поскольку расширяется само тесто — пространство Вселенной. Из-за расширения Вселенной свет удаляющихся объектов испытывает красное смещение. С помощью телескопа JWST ученые уже находят ультрадалекие галактики со значением красного смещения, равным 14, которые существовали на самых ранних этапах жизни космоса. Скорость расширения описывается постоянной Хаббла. В научном сообществе долгое время шли жаркие споры между сторонниками значений 50 и 100 км/с на мегапарсек. Сегодня дискуссия сузилась до значений между 67 и 73, однако исследователи по-прежнему эмоционально отстаивают свои цифры. Наряду с этим установлено, что наша Вселенная является пространственно плоской. Это означает, что два параллельных лазерных луча, запущенные сквозь космос, будут оставаться параллельными на расстоянии в миллиарды световых лет. ## 📺 Реликтовое излучение и космическая линейка [[JUMP:14:53]] Важнейшим доказательством горячего Большого взрыва стало случайное открытие в 1965 году космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения). В настоящее время его температура составляет около **2.7 K**. Офер Лахав напоминает примечательный факт: 1% статического шума («снега») на экранах старых аналоговых телевизоров при переключении каналов вызван именно улавливанием этого реликтового излучения домашней антенной. Карта распределения температур реликтового излучения демонстрирует тончайшие флуктуации: красные зоны горячее средних значений всего на одну миллионную долю градуса, а синие — холоднее. Математический анализ распределения (сферические гармоники) показывает, что эти неоднородности не случайны. Они отражают физические колебания, вызванные соперничеством между темной и обычной материей в ранней Вселенной. На угловом масштабе около 1° на небе фиксируется четкий пик, который физики используют в качестве «стандартной линейки» для проведения геометрических тестов и точного измерения расстояний во Вселенной. ## 📐 Теория относительности и «главный ляп» Эйнштейна [[JUMP:17:05]] В 1915 году Альберт Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, объединив пространство и время в динамическую структуру. Суть этой концепции емко выразил физик Джон Уилер: «Материя указывает пространству-времени, как искривляться, а пространство-время указывает материи, как двигаться». Для демонстрации этого принципа Офер Лахав задействовал на сцене ассистентов — свою дочь Ширу и ее подругу Нину — для проведения эксперимента с натянутым покрывалом и мячами. Тяжелый объект деформирует ткань (пространство-время), заставляя более легкие тела (планеты) двигаться по искривленным траекториям — орбитам. На основе поправок из этих уравнений работает коррекция времени в современных системах GPS-навигации. Согласно современному научному консенсусу, баланс массы и энергии во Вселенной распределяется следующим образом: * Обычное видимое вещество: составляет всего 5%. * Холодная темная материя: занимает около 25%. * Темная энергия: составляет порядка 70%. Этот расклад сил стал результатом фундаментальной смены научной парадигмы в конце 1990-х годов. До этого космологи полагали, что темной энергии не существует, а темная материя занимает все 95% скрытой массы Вселенной. Идея темной энергии во многом восходит к работе Эйнштейна 1917 года, где он ввел космологическую постоянную $\Lambda$ (лямбда) в левую часть своих уравнений для описания геометрии. В ньютоновском пределе это добавляет к привычному закону притяжения дополнительный линейный член $\frac{\Lambda}{3}r$. По свидетельству Офера Лахава, малоизвестный исторический факт заключается в том, что аналогичный линейный член рассматривал в своих черновиках еще Исаак Ньютон в труде *Principia*. Эйнштейн искусственно подобрал значение $ \Lambda $, чтобы сделать Вселенную статической — ни расширяющейся, ни сжимающейся. Когда Эдвин Хаббл доказал расширение Вселенной, Эйнштейн временно отказался от космологической постоянной, назвав ее «величайшей ошибкой (ляпом) своей жизни». Однако современные данные показывают, что лямбда существует, но имеет другое значение, вызывая не статичность, а ускоренное расширение космоса. Британский астрофизик Артур Эддингтон метафорически называл космологическую постоянную $\Lambda$ «преступником», которого необходимо во что бы то ни стало поймать. ## 🧪 Уравнение состояния и миллиардные проекты [[JUMP:28:12]] Космологическая постоянная может интерпретироваться либо как геометрическое свойство (в левой части уравнения Эйнштейна), либо как энергия вакуума (в правой части). Чтобы описать физические свойства темной энергии, ученые используют параметр уравнения состояния $ w $, представляющий собой отношение давления к плотности. Если темная энергия — это в точности космологическая постоянная $ \Lambda $, то значение $w$ должно быть строго равно $ -1 $, что обеспечивает неизменную плотность энергии при расширении Вселенной. Последние результаты проекта Dark Energy Survey (DES) определили значение $w$ на уровне $-1$ с точностью до 3%. Новые апрельские данные спектроскопического инструмента DESI также подтвердили этот результат с погрешностью в 5% ($-0.99 \pm 0.05$). Для уточнения этих параметров развернуты международные проекты стоимостью в миллиарды долларов. В них задействованы модернизированные 4-метровые телескопы 1970-х годов в Чили и Аризоне. Проект DES возглавляется Национальной ускорительной лабораторией Ферми (Fermilab), а DESI — Лабораторией имени Лоуренса в Беркли. Специально для DES в Университетском колледже Лондона (UCL) учеными Питером и Дэвидом в подвальной лаборатории была разработана уникальная 5-линзовая оптическая камера стоимостью **40 миллионов долларов**. Линзы диаметром около 1 метра полировались с точностью до 60 микрон. Сегодня данные также собирают наземная Обсерватория имени Веры Рубин и космический телескоп Euclid. Объем собираемой информации исчисляется терабайтами за одну ночь исследований. Офер Лахав шутит, что стоимость проектов составляет примерно 1 доллар за одну зафиксированную галактику, что является абсолютной «выгодной сделкой» для налогоплательщиков. Работа в столь огромных коллаборациях сопряжена с социологическими трудностями коммуникации между учеными разного ранга. Этому посвящена масштабная книга под редакцией Лахава, объединившая 27 глав и 88 соавторов. В процессе полевых наблюдений случались и экстремальные ситуации: во время визита Лахава в Чили произошло разрушительное землетрясение магнитудой 8.3. Несмотря на то, что вся стеклянная посуда в обсерватории была разбита, телескоп и созданная в UCL камера полностью выдержали удар, и наблюдения возобновились уже на следующую ночь. ## 🌟 Стандартные свечи: сверхновые типа Ia [[JUMP:41:13]] Одним из ключевых методов измерения темной энергии выступает использование сверхновых звезд типа Ia в качестве «стандартных свечей». В двойных звездных системах белый карлик перетягивает на себя вещество соседнего красного гиганта до тех пор, пока не достигнет предела Чандрасекара (**1.4 массы Солнца**), после чего происходит колоссальный термоядерный взрыв. Яркость такого взрыва в пике практически одинакова для всех подобных звезд, что позволяет точно вычислять расстояние до них по степени видимого затухания света в искривленном пространстве-времени. В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена лидерам команд, открывших ускоренное расширение Вселенной на основе анализа всего 42 сверхновых. В январе текущего года коллаборация DES опубликовала результаты анализа рекордных **1500 сверхновых**. Эти данные полностью исключили старые космологические модели без темной энергии и подтвердили соотношение: 35% материи и 65% темной энергии. Кроме того, широкоугольная камера DES помогла зафиксировать оптическую вспышку света от слияния двух нейтронных звезд, породивших гравитационные волны. С помощью этого независимого метода студенты Офера Лахава рассчитали значение постоянной Хаббла, которое составило ровно 70. ## 🎈 Барионные акустические осцилляции и искусственный интеллект [[JUMP:47:04]] Вторым важнейшим методом являются барионные акустические осцилляции (BAO) — гигантские сферические «пузыри» из вещества, сформировавшиеся в ранней Вселенной в результате прохождения звуковых волн в горячей первичной плазме. Накладываясь друг на друга при остывании, эти структуры становятся невидимы для простого глаза, но уверенно выявляются методами глубокого статистического анализа. Для их поиска спектроскопический инструмент DESI в Аризоне составил трехмерную карту, включающую **14.7 миллиона галактик**. Исследование охватывает область космоса глубиной до 11 миллиардов световых лет. Полученное значение $w = -0.99 \pm 0.05$ при объединении с данными реликтового излучения дает точность в 3%. Тем не менее, Офер Лахав отмечает, что в научной среде продолжаются дискуссии. Например, по его словам, в недавней публикации журнала *The Economist* обсуждалась интригующая гипотеза о том, что свойства темной энергии могут плавно меняться со временем, не являясь статической константой. Обработка таких колоссальных массивов данных невозможна без ИИ, который ученый предпочитает называть «дополненным интеллектом» (Augmented Intelligence), поскольку алгоритмы должны расширять, а не замещать накопленные человечеством фундаментальные физические знания. В UCL создан специальный Центр подготовки докторантов (CDT), где студенты одновременно изучают астрофизику и машинное обучение. Лахав приводит пример своей аспирантки Константины: пройдя стажировку в индустрии, она применила коммерческие алгоритмы выявления мошенничества с банковскими картами (anomaly detection) для успешного поиска спектральных аномалий среди миллионов галактик DESI. ## 🧠 Философские размышления и будущее космологии [[JUMP:53:38]] В завершение лекции Офер Лахав делится фундаментальными вопросами, которые обычно обходят стороной на узкоспециализированных конференциях. Что на самом деле представляет собой темная энергия? Ученые выделяют несколько возможных путей решения этой загадки: * Наличие скрытых систематических ошибок в калибровке космических «линеек» и «свечей». * Эйнштейн был абсолютно прав, и это истинная лямбда-константа с $w = -1$. * Существует динамическое физическое поле (квинэссенция), меняющееся во времени. * Проблема энергии вакуума в квантовой механике, предсказывающей колоссальные значения энергии, из которых мы реально наблюдаем лишь мизерную часть. * Необходимость радикальной модификации общей теории относительности Эйнштейна. * Концепция мультивселенной и антропный принцип: мы живем в той Вселенной, где параметры темной энергии (70%) случайно оказались пригодными для возникновения разумной жизни. Исторический опыт показывает, что аномалии в астрономии разрешаются двояко. Неправильное движение Урана привело к открытию новой физической планеты — Нептуна (поиск новой материи), в то время как аномальное смещение перигелия Меркурия было решено не поиском новой планеты Вулкан, а созданием принципиально новой теории гравитации Эйнштейна. В случае с темной энергией человечество пока не знает, нужен ли нам новый космический «ингредиент» или новая физика взамен теории относительности. Сейчас космология переживает свой золотой век. Главный вопрос, который стоит перед исследователями: когда пора остановиться? Стоит ли тратить очередные миллиарды долларов и годы жизней, чтобы снизить погрешность измерения параметров Вселенной с 3% до 1% или долей процента? Офер Лахав резюмирует, что модель $\Lambda\text{CDM}$ (лямбда + холодная темная материя) успешно выдерживает жесткие проверки уже 30 лет. Тем не менее, ученые надеются на будущие открытия, где ИИ сможет качественно дополнить человеческий мозг, обрабатывая гигантские объемы данных, и, возможно, сумеет полностью разгадать устройство нашей Вселенной.