Вже понад століття науковці знають, що Всесвіт розширюється. Це явище характеризує константа, названа на честь одного із астрономів, які незалежно підтвердили цей факт (Едвін Габбл та Жорж Леметр). Вона є коефіцієнтом в законі Габбла — Леметра і її називають стала Габбла. З 1990-х років Космічний телескоп імені Габбла (розроблений для вимірювання цієї константи) дав змогу з՚ясувати, що швидкість розширення Всесвіту різна в ранньому й нинішньому Всесвіті. Саме це призвело до появи «напруги Габбла» в астрофізиці та космології, а також теорії темної енергії (Dark Energy, DE) як можливої причини для пояснення цієї розбіжності.

З початком роботи космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) науковці сподівалися вирішити проблему напруги Габбла. На жаль, спостереження «Вебба» лише поглибили таємницю, вказуючи на те, що розширення космосу ненадовго було швидшим у дуже ранньому Всесвіті. Це призвело до появи нових теорій щодо DE, зокрема про ранню темну енергію (Early Dark Energy, EDE) або припущення про те, що космічна сила може слабшати з часом. Останнє знаходить підтвердження в нещодавньому дослідженні науковців з Чиказького університету, яке вони виконали на основі даних, отриманих за допомогою Огляду темної енергії (Dark Energy Survey, DES) та Спектроскопічного приладу темної енергії (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI).

Дослідження виконали Ановар Дж. Шаджиб (Anowar J. Shajib) та Джошуа А. Фріман (Joshua A. Frieman), стипендіат Інституту космологічної фізики Кавлі (Kavli Institute for Cosmological Physics, KICP) та стипендіат Айнштайна і почесний професор астрономії та астрофізики Чиказького університету (відповідно). Шаджиб також є співорганізатором тематичної групи з питання сильного лінзування в рамках Співпраці з науки про темну енергію (Dark Energy Science Collaboration, DESC) обсерваторії Рубіна LSST та співкерівним колаборації STRIDES, тоді як Фріман є дослідником Національної прискорювальної лабораторії SLAC. Стаття, в якій докладно описано їхнє дослідження, опублікована в журналі Physical Review D.

Об՚єднання обмежень з усіх основних наборів даних у фізико-орієнтовану модель динамічної DE показує, що Всесвіт розширюватиметься повільніше з часом. Авторські права на зображення: Шаджиб та Фріман (2025). Фото з сайту www.universetoday.com.

Торік науковці проєктів DES та DESI опублікували результати, які вперше натякнули на можливість еволюції темної енергії, що викликало велике захоплення в астрофізичній спільноті. У своїй новій роботі Фріман та Шаджиб об՚єднали поточні дані з багатьох обсерваторій та виявили, що ці дані більше узгоджуються з динамічними моделями DE, ніж з тими, де темна енергія постійна. Справедливості заради, дослідники з 1990-х років теоретично передбачали, що DE може мати динамічний характер, щоб вирішити розбіжності в спостереженнях. Це було засновано на спостереженнях «Габбла» та даних від місій, які забезпечили високоякісні вимірювання космічного мікрохвильового фону (Cosmic Microwave Background, CMB).

Однак лише нещодавно більшість основних і надійних наборів даних виявилися несумісними з нееволюційними моделями DE, які стверджували, що щільність енергії залишається постійною з часом, поки простір розширюється. Таке розуміння природи космологічної сталої (або Λ-член — безрозмірна константа, позначена грецькою літерою лямбда Λ, введена А. Айнштайном у 1917 р. в рівняння загальної теорії відносності, Ред.) є визначальним для Стандартної космологічної моделі, також відомої як модель лямбда-холодної темної матерії (Lambda Cold Dark Matter, LCDM). І все ж, інтерес до цієї альтернативної теорії темної матерії зріс завдяки поєднанню даних щодо наднових, баріонних акустичних коливань (baryonic acoustic oscillations, BAOs) та від таких місій, як Зонд мікрохвильової анізотропії Вілкінсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) та космічний телескоп «Планк» (Planck space telescope).

Результати спостережень цих місій натякнули на те, що космологічна стала, введена Айнштайном понад 100 років тому як сила для «протидії гравітації», може бути не постійною. Натомість нові дані свідчать про те, що темна енергія може бути динамічним явищем, яке з часом втрачає густину. Шаджиб та Фріман також виявили, що за останні кілька мільярдів років щільність темної енергії зменшилася приблизно на 10%. Це набагато менше, ніж щільність іншої матерії та енергії, але однак суттєво. В інтерв՚ю UChicago Physical Science вони пояснили:

Метою цього дослідження є порівняння прогнозів фізичної моделі зі змінною темною енергією з останніми наборами даних та виведення фізичних властивостей темної енергії з цього порівняння. «Модель» змінної темної енергії, яку використовували в більшості попередніх аналізів даних, — це лише математична формула, яка не зобов՚язана поводитися так, як фізичні моделі.

У нашій статті ми прямо порівнюємо фізичні моделі зі змінною темною енергією з даними та виявляємо, що ці моделі краще описують поточні дані, ніж стандартна модель незмінної темної енергії. Ми також показуємо, що найближчі майбутні огляди, такі як DESI та Огляд простору та часу (Legacy Survey of Space and Time, LSST) обсерваторії Віри Рубін, зможуть остаточно сказати нам, чи є ці моделі правильними, чи ж темна енергія справді є постійною.

Обсерваторія Віри К. Рубін на вершині Серро Пачон у Чилі. Авторські права на зображення: NSF/DOE. Фото з сайту www.universetoday.com.

Моделі темної енергії засновані на теоріях фізики елементарних частинок щодо типу гіпотетичної частинки, яку називають аксіон, і яку вперше передбачили фізики в 1970-х роках. В останні роки аксіони розглядають як можливого кандидата на роль невловимої темної матерії, і багато детекторів у всьому світі активно їх шукають. У моделях, розроблених Шаджибом і Фріманом, надлегка версія аксіонів діє є як темна енергія, а не темна матерія. Вона була постійною протягом перших кількох мільярдів років космічної історії, а потім почала змінюватися, бо її щільність стала повільно зменшуватися.

Якщо темна енергія є причиною прискореного розширення Всесвіту, і її щільність зменшується з часом, це прискорення зменшуватиметься з часом. Залежно від природи DE, доля Всесвіту може звестися до двох крайніх наслідків. З одного боку, існує сценарій Великого Розриву (Big Rip), де космічне розширення прискорюється, що зрештою спричиняє розрив «тканини простору – часу». З іншого боку, існує Велике Стиснення (Big Crunch), коли розширення космосу зрештою сповільниться та обернеться у зворотний бік, що призведе до повторного колапсу всієї матерії в одній точці в момент «зворотного Великого Вибуху».

Зрештою, з моделей Шаджиба і Фрімана випливає, що Всесвіт уникне обох цих крайнощів і натомість зазнає прискореного розширення протягом багатьох мільярдів років. Це зрештою призведе до холодного, темного Всесвіту, також відомого як Велике Замерзання (Big Freeze). На жаль, все ще є багато питань, які чекають на вирішення. Фріман сказав:

Зараз ми точно знаємо, скільки темної енергії є у ​​Всесвіті, але ми не маємо фізичного розуміння того, що це таке. Найпростіша гіпотеза полягає в тому, що це енергія самого порожнього простору, і в цьому випадку вона була б незмінною в часі, ідея, яка походить від Айнштайна, Леметра, де Сіттера та інших на початку минулого століття. Трохи бентежить, що ми майже не маємо уявлення про те, що становить 70% Всесвіту. І що б це не було, це визначатиме майбутню еволюцію Всесвіту.

Очікується, що найближчим часом такі огляди, як «Спектроскопічний прилад темної енергії» та «Огляд простору та часу обсерваторії Віри Рубін», прояснять історію та природу розширення космосу. Результати цих оглядів допоможуть визначити, яка модель космології є правильною — стандартна модель LCDM чи динамічна модель DE.

За інф. з сайту www.universetoday.com