Рождение, рост и будущее нашей Вселенной неизменно завораживают и рождают вопросы. За последние десятилетия телескопы получили возможность наблюдать за небом с беспрецедентной точностью и чувствительностью. Исследовательская группа из Мельбурна, работающая с телескопом «Южный полюс» (South Pole Telescope, сокращенно SPT), изучает, как развивалась Вселенная и как она менялась с течением времени. Ученые опубликовали результаты двухлетней работы по составлению карты зарождающейся Вселенной, охватывающей около 5% небесной сферы. Эти наблюдения позволили исследователям лучше понять природу темной энергии и динамику расширения нашего мира.
Текущую модель ранней Вселенной можно охарактеризовать как «горячий Большой взрыв». Он произошел 13,8 миллиарда лет назад, когда явление, известное как космическая инфляция, привело к тому, что Вселенная на долю секунды расширилась со скоростью, многократно превышающей скорость света. По мере того, как она охлаждалась, обычная барионная материя (та, которую мы можем видеть и с которой взаимодействуем) представляла собой перегретую плазму, состоящую из фотонов, электронов и ионизированных ядер водорода и гелия.
Современные телескопы могут обнаружить слабое излучение, возникшее всего через 400 000 лет после Большого взрыва, известное как космический микроволновый фон (Space Microwave Background, SMB). Реликтовое излучение представляет собой моментальный снимок плазмы и условий в то время, когда температура плазмы была примерно вдвое ниже солнечной. Охлаждение позволило плазме рекомбинировать, образовав из ядер и электронов атомы водорода и гелия. Во времена генерации реликтового излучения Вселенная была почти идеально однородной, с колебанием плотности вещества не более чем на 0,001%.
Однако, помимо барионной материи, в новорожденной Вселенной присутствовала темная материя. Текущая космологическая теория предполагает, что темная материя не однородна, а коллапсирует, образуя плотные области, которые притягивают близлежащую барионную материю. Газ в этих плотных областях затем охлаждается и также коллапсирует, образуя галактики и звезды, которые мы видим сегодня. Вместе эти этапы составляют картину формирования космоса, известную как модель лямбда-холодной темной материи или ΛCDM (Λ cold dark matter).
Что такое темная энергия и почему она так важна
Если бы Вселенная состояла только из обычной и темной материи, можно было бы ожидать, что гравитация всей массы замедлит ее расширение. Если вы подбросили мяч вверх, гравитация Земли притягивает его обратно вниз. Однако в 1998 году астрономы, измерявшие расстояние до далеких сверхновых, обнаружили, что расширение стало необъяснимо ускоряться, а не ожидаемо замедляться.
Чтобы объяснить этот феномен, ученые вспомнили о темной энергии, сущности еще более загадочной, нежели темная материя. Темная энергия, в отличие от темной материи, гравитационно отталкивает, а не притягивает обычную материю, раздвигая Вселенную почти как антигравитация из романов писателей-фантастов. Теоретически существование темной энергии обосновал еще Эйнштейн, высказав мысль о необходимости космологической постоянной, как способе уравновесить действие гравитации в его общей теории относительности.
Предполагается, что таинственная темная энергия занимает почти 70% Вселенной. И хотя мы не можем наблюдать темную энергию напрямую, почти не осталось сомнений, что именно она определяет, как и почему расширяется наша Вселенная и какова ее дальнейшая судьба.
Новые наблюдения
Телескоп SPT — это 10-метровый интерферометр с 16 тысячами детекторов, чувствительными к волнам миллиметрового диапазона (10 мм – 1 мм или, соответственно, 30-300 ГГц). Он расположен на американской станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе в Антарктиде.
Команда астрофизиков проанализировали собранные SPT данные реликтового излучения, чтобы провести оценку температуры и уровня поляризации вещества ранней Вселенной. Ученые объединили карты ранней Вселенной, полученные с помощью SPT, с наблюдениями за трехмерным распределением галактик, сделанными ранее коллаборацией Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).
Наблюдения показали, что темная энергия со временем становится слабее, эволюционирует во времени. Ускорение расширения Вселенной темной энергией должно рано или поздно прекратиться. Но, похоже, ее запал иссякнет очень нескоро.
Почему теория эволюции Вселенной нуждается в обновлении
Новые измерения с помощью SPT позволяют более точно определить границы наших космологических моделей. Ранее золотым стандартом для измерений космического микроволнового фона служили данные спутника Planck, полученные десять лет назад. Улучшенные измерения с помощью SPT в сочетании с экспериментом DESI и другими наборами данных снижают вероятность существования космологической постоянной в том виде, о котором говорил Эйнштейн. Более реальной становится модель темной энергии, эволюционирующей во времени.
Ошибочна ли теория относительности Эйнштейна или ее просто нужно подправить? Скорее, второе! Когда ученый впервые сформулировал свою теорию относительности в начале 1900-х годов, Вселенная считалась статичной. Чтобы исключить гравитационный коллапс и создать «вечную» статичную вселенную, он добавил в свою теорию искусственное понятие «космологической постоянной». Позже Эйнштейн отказался от этого термина — вскоре после открытия Эдвином Хабблом в 1929 году того факта, что Вселенная расширяется.
Спустя три десятилетия после смерти Эйнштейна астрономы, наблюдавшие за вспышками сверхновых, обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Самым простым объяснением этого ускорения была реабилитация космологической постоянной Эйнштейна. И до недавнего времени наблюдаемое поведение Вселенной можно было с грехом пополам объяснить с помощью модели Эйнштейна.
Если текущие предположения о том, что темная энергия ослабевает, подтвердятся дальнейшими исследованиями, это будет означать, что нам нужно выйти за рамки космологической постоянной. Придется либо менять постулаты общей теории относительности, либо включать в нее процесс эволюции темной энергии в пространственно-временном континууме.
Трудно сказать, когда мы узнаем, нужна ли нам новая теория и как она должна выглядеть. Имеющиеся в настоящее время доказательства эволюции темной энергии все еще не соответствуют золотому стандарту, который допускает ошибку лишь в 1 случае из 3,5 миллиона исходов («правило 5 сигм»).
Авторы работы возлагают большие надежды на продолжение сотрудничества с DESI и с нетерпением ждут монтажа модернизированного приемника на SPT в 2028 году, а также результатов обсерватории Саймонса (начало обзорных наблюдений запланировано на конец 2025 года) и экспериментов по исследованию реликтового излучения CMB-S4 в 2030-х годах.
Астрономы надеются подтвердить, что расширение Вселенной не безгранично, и рано или поздно этот, основанный на темной энергии, хаотический процесс потеряет обороты и в конечном итоге устремится обратно — к исходной точке сингулярности.
