Тридцать лет наблюдений за взрывающимися звёздами объединили в единую выборку из 2884 сверхновых типа Ia. Повторный анализ старых данных с использованием современных методов и совместное сравнение с другими космологическими измерениями дали новые признаки того, что тёмная энергия может не оставаться неизменной на протяжении истории Вселенной.
Результат имеет значение для одной из самых важных проблем современной космологии. Стандартная космологическая модель предполагает, что основная часть тёмной энергии может быть описана космологической постоянной — величиной, которая не меняется со временем. Именно такое описание уже несколько десятилетий успешно используется для объяснения ускоренного расширения Вселенной.
Новая работа не отменяет эту модель и не доказывает, что тёмная энергия действительно меняется. Более того, сами данные о сверхновых ещё не дают окончательного обнаружения эволюции тёмной энергии. Однако при объединении сверхновых с измерениями космического микроволнового фона и барионных акустических осцилляций возникает статистическое предпочтение моделей, в которых свойства тёмной энергии могут изменяться со временем. При этом байесовский анализ даёт лишь слабое предпочтение такой модели, поэтому вопрос остаётся открытым.
Почему сверхновые позволяют измерять расширение Вселенной
Одно из главных препятствий в космологии заключается в том, что невозможно непосредственно наблюдать, как менялось расстояние между галактиками на протяжении миллиардов лет. Астрономам приходится восстанавливать историю расширения по свету, который пришёл от очень далёких объектов.
Сверхновые типа Ia оказались одним из наиболее полезных инструментов для этой задачи. Это особый класс звёздных взрывов, характеристики которых позволяют оценивать их истинную светимость. Сравнивая её с наблюдаемой яркостью, астрономы могут определить расстояние до галактики, в которой произошёл взрыв.
Одновременно спектр сверхновой показывает, насколько сильно растянулся её свет из-за расширения Вселенной. Таким образом, для каждой сверхновой можно получить пару ключевых характеристик: насколько далеко находится источник и насколько расширилась Вселенная за время распространения его света.
Когда таких объектов становятся тысячи, они позволяют построить своеобразную карту истории космического расширения.
Почему тип Ia особенно удобен для космологии
Сверхновые типа Ia связаны с термоядерным разрушением белых карликов. Их свойства позволяют использовать эти взрывы как своеобразные космические ориентиры для измерения расстояний.
При этом они не являются абсолютно одинаковыми. Реальные сверхновые отличаются друг от друга, а их наблюдаемый свет может изменяться из-за свойств самой сверхновой, окружающей галактики, межзвёздной пыли и других факторов.
Поэтому современная космология не просто сравнивает яркость взрывов напрямую. Наблюдения проходят сложную обработку, которая учитывает известные различия между сверхновыми и условия, через которые распространялся их свет.
Чем больше выборка и чем лучше обработаны систематические эффекты, тем точнее можно восстановить историю расширения Вселенной.
Что представляет собой новая выборка из 2884 сверхновых
Новая объединённая база получила название Unite. Она объединяет две крупные коллекции наблюдений: Pantheon+ и пятилетнюю выборку сверхновых Dark Energy Survey.
В результате получен набор из 2884 объектов, классифицированных как вероятные сверхновые типа Ia. Исследователи не просто сложили старые и новые данные, а заново обработали их в максимально согласованной системе.
Это принципиально важно. За три десятилетия методы наблюдения сверхновых и способы их анализа значительно изменились. Данные, полученные разными телескопами в разные годы, могли обрабатываться с использованием различных методик.
Если объединить такие измерения без дополнительной обработки, различия между методами наблюдений могут ошибочно выглядеть как физический эффект.
Старые наблюдения пересмотрели заново
Исследователи использовали накопившиеся за годы знания о поведении сверхновых, чтобы повторно проанализировать исторические наблюдения.
В новой обработке учитывались различные характеристики самих сверхновых, свойства их галактик-хозяев, влияние космической пыли и другие известные источники систематических ошибок.
Отдельно была проведена единообразная оценка звёздных масс галактик-хозяев. Такие измерения были получены более чем для 98% объектов выборки. Это важно, поскольку свойства галактики, в которой произошла сверхновая, могут быть связаны с характеристиками самого взрыва и влиять на космологический анализ.
В обработке также учитывалось гравитационное линзирование. Свет далёкой сверхновой по пути к Земле может проходить рядом с массивными галактиками и скоплениями галактик. Их гравитация искривляет траекторию света и может немного изменять его наблюдаемую яркость.
Для небольшой выборки подобные эффекты могут быть несущественными. Для тысяч сверхновых они становятся частью общей картины и требуют учёта.
Что изменилось по сравнению со стандартной картиной
Стандартная космологическая модель предполагает, что тёмная энергия описывается постоянной величиной. В наиболее простом варианте она соответствует космологической постоянной, введённой в уравнения общей теории относительности.
При таком подходе тёмная энергия не исчезает и не усиливается по мере расширения Вселенной. Её плотность остаётся постоянной, а доля тёмной энергии в общем энергетическом балансе Вселенной со временем увеличивается по мере разрежения обычного вещества и тёмной материи.
Именно эта картина хорошо описывает множество космологических наблюдений.
Однако существует и более общий класс моделей, в которых свойства тёмной энергии могут изменяться с космическим временем.
Постоянная и меняющаяся тёмная энергия
Важно различать две идеи. Утверждение о том, что тёмная энергия может меняться, не означает автоматически, что она «ослабевает» или «исчезает».
В более общем случае речь идёт о том, что её физическое поведение может отличаться от поведения космологической постоянной. Для описания такой возможности используются модели, в которых соответствующий параметр может изменяться с течением времени.
Именно такую возможность исследователи проверили при совместном анализе разных космологических данных.
Полученные результаты показывают напряжённость между некоторыми наборами наблюдений, если принудительно предположить постоянное значение соответствующего параметра тёмной энергии. Эта напряжённость уменьшается, когда допускается его изменение со временем.
Это важное различие: данные не говорят, что постоянная тёмная энергия уже опровергнута. Они показывают, что более сложная модель в определённых комбинациях наблюдений описывает их лучше.
Почему одних сверхновых недостаточно
Новая выборка из 2884 сверхновых сама по себе не даёт окончательного ответа на вопрос о природе тёмной энергии.
При анализе только Unite в рамках плоской модели ΛCDM полученное значение доли материи во Вселенной хорошо согласуется с современной космологической картиной. Сам набор сверхновых не даёт убедительного самостоятельного обнаружения изменения тёмной энергии.
Главный эффект появляется при объединении нескольких независимых способов изучения Вселенной.
Это один из важнейших моментов всей работы. Космологи не пытаются решить проблему только по яркости сверхновых. Они сравнивают результаты различных наблюдений, которые чувствительны к истории расширения совершенно разными способами.
Реликтовое излучение даёт информацию о ранней Вселенной
Одним из таких инструментов является космический микроволновый фон — реликтовое излучение, оставшееся от ранней горячей Вселенной.
Оно возникло примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда вещество и излучение перестали быть настолько тесно связаны, чтобы свет постоянно рассеивался на заряженных частицах.
Современные телескопы позволяют измерять мельчайшие неоднородности этого излучения. Они содержат информацию о свойствах молодой Вселенной и начальных условиях, из которых впоследствии сформировалась крупномасштабная структура космоса.
Реликтовый фон особенно ценен тем, что предоставляет своеобразную точку отсчёта для всей последующей космической истории.
Почему важно сравнивать раннюю и позднюю Вселенную
Сверхновые типа Ia позволяют исследовать сравнительно поздние этапы истории Вселенной. Реликтовое излучение, напротив, несёт информацию о чрезвычайно ранней эпохе.
Если модель космологии правильно описывает Вселенную от ранних времён до настоящего, она должна одновременно согласовываться с обоими типами наблюдений.
Именно здесь возникает проблема, выявленная в новом анализе.
При предположении постоянной тёмной энергии объединённые данные о сверхновых и барионных акустических осцилляциях демонстрируют напряжённость с измерениями реликтового излучения. Когда же разрешается изменение свойств тёмной энергии со временем, эта напряжённость уменьшается.
Барионные акустические осцилляции дают ещё одну проверку
Другой независимый инструмент — барионные акустические осцилляции, или BAO.
Их происхождение связано с волнами плотности в ранней Вселенной. В молодой горячей плазме обычное вещество и излучение находились в тесном взаимодействии. Распространявшиеся в этой среде акустические волны оставили характерный масштаб в распределении вещества.
После формирования галактик этот масштаб сохранился как своеобразная космическая линейка.
Измеряя его в разных эпохах, астрономы могут получать информацию о том, как изменялись расстояния и масштабы Вселенной.
Независимые методы дают более надёжную картину
Сверхновые и BAO измеряют разные свойства космической структуры. Реликтовое излучение относится к ещё более ранней эпохе.
Поэтому совпадение или расхождение между этими методами особенно важно.
Новая работа показывает, что при использовании постоянной тёмной энергии возникает заметная напряжённость между реликтовым фоном и совместными данными сверхновых и BAO. Если свойства тёмной энергии разрешается изменять, согласование улучшается.
Именно поэтому результат представляет интерес для космологии: речь идёт не просто о небольшом изменении одной выборки сверхновых, а о сравнении нескольких независимых космических измерений.
Какие параметры получила модель меняющейся тёмной энергии
Для проверки эволюции тёмной энергии исследователи использовали модель, в которой её свойства задаются двумя параметрами, позволяющими описывать изменение во времени.
При объединении Unite с данными реликтового излучения и BAO была получена оценка плотности материи около 0,305. Для параметров эволюции тёмной энергии получены значения около −0,86 для одного параметра и −0,60 для другого, с указанными в исследовании статистическими неопределённостями.
Для научно-популярного понимания здесь важнее не сами числа, а то, что лучший вариант модели при совместном анализе не совпадает с простой моделью постоянной тёмной энергии.
При этом статистическая интерпретация требует осторожности. Авторы отмечают, что байесовское сравнение моделей даёт лишь слабое предпочтение варианту с меняющейся тёмной энергией. В то же время частотные статистические методы дают более сильное предпочтение этой модели, в зависимости от выбранной процедуры оценки — около 3,3σ или 3,1σ в обновлённой версии работы.
Поэтому говорить, что тёмная энергия уже доказанно меняется, пока нельзя.
Почему результат не означает «конец стандартной модели»
Стандартная космологическая модель остаётся чрезвычайно успешной. Она объясняет большое количество наблюдений — от свойств реликтового излучения до распределения галактик и истории расширения Вселенной.
Новая работа не показывает, что эта модель перестала работать.
Проблема заключается в том, что при объединении современных данных становится заметно труднее описывать всё одним и тем же набором постоянных параметров.
Это типичная ситуация для науки. Если новая модель лучше описывает данные, это ещё не означает, что старая теория немедленно становится неправильной. Необходимо проверить, действительно ли наблюдаемое расхождение связано с новой физикой или же с систематическими ошибками, особенностями обработки данных или статистическими флуктуациями.
Именно поэтому особенно важны независимые наблюдения.
Тёмная энергия уже не первый раз вызывает вопросы
Новые результаты появились не в изоляции. В последние годы несколько независимых исследований также обнаруживали признаки того, что простая модель постоянной тёмной энергии может быть недостаточной.
Одним из наиболее известных примеров стали результаты Dark Energy Survey, опубликованные ранее. Они уже указывали на возможное изменение свойств тёмной энергии со временем.
Новый объединённый набор сверхновых снова обнаружил отклонение от стандартной модели, хотя направление отклонения отличается от предыдущего результата.
Это существенно. Если разные анализы дают разные признаки отклонения, ситуация становится сложнее, а не проще. Нельзя просто сложить все результаты и объявить, что тёмная энергия доказанно меняется.
Необходимо понять, насколько хорошо разные измерения согласуются между собой и какие систематические эффекты могут влиять на каждый из них.
Независимый сигнал от DESI
Дополнительный интерес представляют результаты Dark Energy Spectroscopic Instrument — DESI.
Этот инструмент изучает распределение галактик и квазаров на огромных объёмах пространства. Одной из ключевых задач является измерение барионных акустических осцилляций.
Ранее данные DESI также дали признаки того, что постоянная тёмная энергия может не полностью описывать наблюдаемую историю расширения.
Таким образом, к обсуждению подключаются разные типы наблюдений. Сверхновые являются одним инструментом, BAO — другим, а реликтовое излучение даёт информацию о ранней Вселенной.
Авторы новой работы подчёркивают, что именно независимость этих методов делает возможные отклонения особенно интересными.
Однако независимость измерений не гарантирует автоматически отсутствие всех систематических ошибок. Каждая методика имеет свои источники неопределённости, поэтому окончательный вывод потребует дальнейших проверок.
Что может скрываться за расхождением
Если будущие наблюдения подтвердят изменение свойств тёмной энергии, последствия для космологии будут очень серьёзными.
Космологическая постоянная является одним из самых простых способов объяснить ускоренное расширение Вселенной. Если же тёмная энергия меняется, потребуется более сложное физическое описание.
Это может означать существование динамического компонента Вселенной, свойства которого изменяются по мере её эволюции.
Но пока нет необходимости вводить новую физику только на основании одного анализа. Существуют и более прозаические возможности.
Систематические ошибки остаются важной проблемой
Наблюдение сверхновой — это не прямое измерение расстояния. Для получения космологической информации необходимо учитывать множество факторов.
На свет взрывающейся звезды может влиять межзвёздная и межгалактическая пыль. Свойства галактики-хозяина могут быть связаны с характеристиками сверхновой. Гравитация массивных объектов по пути к Земле способна изменять видимую яркость источника.
Кроме того, разные наблюдательные обзоры используют разные телескопы, фильтры и методы обработки.
Именно поэтому новая работа уделяет большое внимание повторному анализу старых данных и приведению различных наборов к единой методике. Но даже такой подход не устраняет необходимость дальнейших независимых проверок.
Почему новые сверхновые могут изменить ситуацию
Одним из важнейших преимуществ космологии сверхновых является возможность постоянно увеличивать выборку.
Чем больше объектов наблюдается, тем лучше можно отделить статистические случайности от реального космологического эффекта.
Особенно полезны сверхновые на относительно небольших расстояниях. Их наблюдение может помочь лучше связать шкалу расстояний, полученную по близким объектам, с космологическими измерениями на больших расстояниях.
Для этой цели уже ведётся программа DEBASS, которая обнаруживает новые сверхновые и должна добавить в будущие анализы сотни объектов, находящихся ближе к Земле, чем значительная часть сверхновых Dark Energy Survey.
Следующее поколение обзоров
Будущие широкомасштабные обзоры будут обнаруживать гораздо больше сверхновых и одновременно получать информацию о галактиках, в которых они произошли.
Это позволит одновременно улучшать статистику и лучше контролировать систематические эффекты.
Если признаки эволюции тёмной энергии сохранятся в новых независимых выборках, вероятность того, что они вызваны случайностью, будет уменьшаться.
Если же отклонение постепенно исчезнет, это будет свидетельствовать о том, что нынешний эффект был связан с особенностями данных или их анализа.
Оба результата будут научно важны.
Почему вопрос о тёмной энергии связан с фундаментальной физикой
Тёмная энергия — не просто ещё один компонент космического вещества. Её свойства связаны с самой динамикой пространства-времени на крупнейших масштабах.
Современная физика располагает двумя чрезвычайно успешными теориями: общей теорией относительности, описывающей гравитацию и крупномасштабную структуру пространства-времени, и квантовой механикой, описывающей микроскопический мир.
Однако полноценной общепринятой теории квантовой гравитации пока не существует.
Если наблюдения действительно покажут, что ускоренное расширение нельзя объяснить простой космологической постоянной, это может дать новые подсказки для фундаментальной физики.
Но прямой связи между конкретным изменением тёмной энергии и решением проблемы квантовой гравитации пока нет. Это возможное направление для будущих теоретических исследований, а не установленное следствие новых данных.
Что известно на сегодняшний день
Новая объединённая выборка включает 2884 вероятные сверхновые типа Ia и представляет собой наиболее крупный согласованный набор такого рода на момент проведения анализа. Старые наблюдения были повторно обработаны с учётом современных представлений о сверхновых, галактиках-хозяевах, пыли и гравитационном линзировании.
При объединении данных сверхновых с реликтовым излучением и измерениями BAO возникает заметная напряжённость с моделью, в которой свойства тёмной энергии остаются постоянными. Разрешение изменения этих свойств со временем уменьшает эту напряжённость.
Однако это пока не доказательство того, что тёмная энергия действительно меняется. В частности, байесовский анализ даёт лишь слабое предпочтение эволюционирующей модели, а сама работа является препринтом и ещё проходит научную проверку.
Поэтому наиболее точная формулировка результата звучит не как «тёмная энергия обнаружена меняющейся», а как «новые данные усиливают признаки того, что постоянная тёмная энергия может быть недостаточной для полного описания наблюдений».
Космология подошла к важной проверке
История изучения ускоренного расширения Вселенной началась с наблюдений сверхновых типа Ia, которые показали, что космическое расширение не просто продолжается, а происходит с ускорением. С тех пор космологическая постоянная стала центральным элементом стандартной модели.
Теперь ситуация становится значительно интереснее.
Новая обработка трёх десятилетий наблюдений объединила данные 2884 сверхновых в единую систему и позволила сравнить их с независимыми измерениями ранней Вселенной и крупномасштабного распределения галактик. Получившаяся картина не разрушает стандартную космологическую модель, но показывает, что ей становится всё сложнее одновременно описывать все современные данные без дополнительных допущений.
Следующий этап будет решающим. Новые сверхновые, будущие крупные обзоры галактик и дополнительные измерения BAO позволят проверить, сохраняется ли обнаруженное расхождение. Если оно подтвердится в независимых данных, космологам придётся искать физическое объяснение изменяющейся тёмной энергии. Если же сигнал ослабнет, это поможет выявить систематические эффекты, которые пока ещё ограничивают точность космологических измерений.
Пока Вселенная не дала окончательного ответа. Но 2884 взрывающихся звезды добавили ещё один весомый набор данных к вопросу, который напрямую касается будущего космоса и природы его ускоренного расширения.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
