А что там с темной энергией?

Недавно вышел новый каталог галактик DESI, собрав миллионы галактик с их точными положениями в 3d карту Вселенной. И один из удвитиельных результатов: кажется, обычная модель темная энергии не очень хорошо вписывается в эти наблюдения…

Вы наверняка слышали, что темная энергия — некоторая загадочная сущность — дает основной вклад в энергию Вселенной, около 70%. Большую часть остатка занимает темная материя, про которую я тут уже много раз писал тут и на канале и даже читал лекцию, а на обычную материю приходится всего около 5%. Как и с темной материей, название "темная" предполагает, что мы не знаем ее природы, хотя уверены, что она существует: множество разных наблюдений указывают на то, что космос наполнен некоторой сущностью, обладающей энергией. Например, мы знаем из наблюдений, что Вселенная расширяется с ускорением, и темная энергия отвечает за это ускорение.

В стандартной модели космологии эта энергия называется “космологической постоянной” и предполагается, что она обладает постоянной плотностью в каждой точке пространства. Важное свойство темной энергии в том, что ее плотность не меняется при расширении Вселенной. Обычная энергия, например, фотона, при расширении космоса уменьшила бы плотность (т.к. та же энергия занимала бы больший объем). С темной энергией это не так: выглядит, что энергия прибывает по мере расширения пространства, чтобы плотность оставалась постоянной.

Вообще говоря, в самом простом варианте эта сущность совсем не загадочная. У нас уже есть хорошо известная энергия, которая заполняет пространство: энергия квантового вакуума (вы наверняка слышали про то, что квантовые поля постоянно колеблются — часто это описывают, как создание и уничтожение пар частиц). Эта энергия обладает всеми нужными свойствами темной энергии, вот только расчет ее полной энергии из квантовой теории поля не совпадает с наблюдениями. Не совпадает на 120 порядков. Упс…(часто говорят, что это худшее предсказание теории в истории физики). Надо понимать, что эти расчеты изначально приблизительны, и есть много способов скорректировать их, чтобы ответ совпадал с наблюдениями, но пока нет ни одного общепринятого. Несмотря на это большинство согласны, что это наиболее вероятный вариант, просто исходя из бритвы Оккама. Но ученые продолжают искать альтернативные варианты.

И вот за последний год обсерватория DESI — dark energy spectroscopic instrument — выпустила новый каталог галактик. Они измерили расстояния до галактик и их относительное положение, по сути создав 3d карту Вселенной: в пространстве и во времени. Напоминаю, что за счет конечности скорости света чем дальше находится от нас объект, тем дальше в прошлом мы его наблюдаем. Т.е. расстояние от нас по сути — взгляд в разные эпохи существования Вселенной.

Структура Вселенной была задана в ранние эпохи ее существования, и отпечаток этого остается в распределении галактик. Наблюдая за эволюцией этого распределения, можно оценить скорость расширения в каждый момент. Т.е. структура галактик на разных расстояниях от нас будет разной, и по этому можно оценить вклад темной энергии. Мы ожидали, что это ускорение в расширении будет постоянным, но кажется, что это не так! На уровне в 2-3σ мы видим отличие от обычного закона расширения.

Обычно плотность темной энергии параметризуется как a^{-3(1+ω)}, где a — характерный размер Вселенной (по сути — способ посчитать время). Обычно для темной энергии в виде космологической постоянной ω=-1, т.е. ее плотность не меняется со временем. В других теориях ω может отличаться от 1. Например, самая простая такая модель вводит дополнительное квантовое поле — квинтессенцию — которое не взаимодействует с обычной материей, и только дает вклад в расширение Вселенной. В частности, w может сама меняться со временем. Самая простая модель предполагает линейную зависимость от времени:

ω = ω0 + ωa (1-a),

где ω0 — закон расширения в настоящее время, а ωa — некоторый параметр. Обычно ω0 = -1, ωa = 0. Но новые результаты DESI предпочитают такую модель, где оба параметра отличаются. Это вызвало большой резонанс в комьюнити (и в новостях).

Эти наблюдения потенциально опровергают модель “космологической постоянной” и вместе с тем вакуумную энергию как возможный механизм ее возникновения. Честно говоря, для меня это печаль, т.к. такое объяснение наиболее простое и чистое. Если вводить новые поля, типа квинтессенции, мы никак не решаем проблему ваккумной энергии и ее вклада в расширение вселенной (и несовпадение с теории с наблюдениями), а только добавляем необходимость как-то объяснить новые сущности.

Но все не так просто, возможно, рано еще откупоривать шампанское и хоронить стандартную модель. Во-первых, подобная модель эволюции не очень хорошо совпадает с другими наблюдениями: например, она предполагает w0 (скорость расширения в настоящее время), отличную от -1 — но у нас есть множество других наблюдений, которые указывают на этот закон расширения. Во-вторых, изменение самой модели (например, выбор w0 не в настоящий момент, а в некоторый момент, для которого у DESI есть самые точные данные), кардинально меняет картину: оказывается, что результаты лучше совпадают со стандартной моделью. В третьих, у нас нет хорошей теории, которая бы позволяла подобную модель эволюции темной энергии. Более того, даже создать такую модель довольно проблематично по техническим причинам. В-четвертых, эти наблюдения ограничивают максимально возможную массу нейтрино, но начинают конфликтовать с другими наблюдениями нейтрино, что тоже подозрительно. То есть, все указывает на то, что либо закон эволюции темной энергии сложнее, чем линейная зависимость, либо данные на самом деле не указывают на отклонения от стандартной модели (либо какое-то другое объяснение результатам в виде новой физики).

Лично для меня вероятность того, что космологическая постоянная не постоянно, слегка увеличилась, но остается на довольно низком уровне. Будем ждать новых данных (а в ближайший год выходит много новых данных, включая независимые наблюдения). Делаю ставку на то, что аномалии уйдут и мы останемся с обычной космологической постоянной. Но если вдруг нет — это будет революция!

В любом случае, очень интересно!