Учёные представили убедительные доказательства того, что тёмная энергия — гипотетическая форма энергии, ускоряющая расширение Вселенной, — может быть непостоянной, вопреки устоявшемуся представлению. Это ставит под сомнение стандартную космологическую модель, согласно которой тёмная энергия выступает в роли так называемой космологической постоянной — неизменного свойства самого вакуума пространства, введённого Альбертом Эйнштейном в начале XX века.
Сдвиг в представлениях стал возможен благодаря новым наблюдениям, собранным сразу несколькими крупными астрономическими проектами: обзором тёмной энергии (Dark Energy Survey, DES), спектроскопическим инструментом изучения тёмной энергии (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI), а также миссиями Planck, SDSS (Sloan Digital Sky Survey), Atacama Cosmology Telescope и проектом Time-Delay COSMOgraphy. Совокупность этих данных, охватывающих сверхновые типа Ia, барионные акустические осцилляции и космическое микроволновое фоновое излучение, позволила с высокой точностью восстановить историю расширения Вселенной.
Авторы нового исследования — астрофизик Джошуа Фриман, один из основателей DES, и Аноуар Шаджиб, стипендиат NASA Hubble и специалист по гравитационному линзированию, — опубликовали результаты в журнале Physical Review D. Они проанализировали весь массив наблюдательных данных с точки зрения моделей тёмной энергии, допускающих её изменение со временем. В отличие от прежних расчётов, основанных на абстрактных математических параметризациях, исследователи сосредоточились на физических теориях — в частности, на моделях, предполагающих существование гипотетических ультралёгких частиц, известных как аксионы.
Аксионы впервые были предложены в 1970-х годах для объяснения особенностей сильного взаимодействия. В стандартной космологии их рассматривают как возможных кандидатов на роль тёмной материи. Однако в данном случае речь идёт об аксионоподобных частицах с ещё меньшей массой, которые могли бы играть роль тёмной энергии. Согласно предложенной модели, в течение первых миллиардов лет после Большого взрыва плотность тёмной энергии оставалась почти постоянной, но затем аксион, словно мяч, скатившийся с вершины холма, начал «движение вниз» — то есть его энергия стала снижаться. Расчёты показывают, что за последние несколько миллиардов лет плотность тёмной энергии могла уменьшиться примерно на 10%. Это немного по сравнению с другими компонентами космоса, но достаточно, чтобы статистически отличаться от абсолютной неизменности.
Основной принцип стандартной модели ΛCDM (лямбда-холодной тёмной материи) заключается в предположении, что тёмная энергия представляет собой космологическую постоянную Λ, неизменную во времени. Несмотря на то что физическая природа этой энергии до сих пор неясна, подобная интерпретация в течение двух десятилетий хорошо согласовывалась с наблюдениями. Теперь же, впервые со времени запуска DES в 2003 году, появились признаки того, что плотность тёмной энергии может меняться, а модели с переменной энергией лучше описывают реальные данные.
Исследователи подчёркивают, что это не просто математическая аппроксимация, а физическая гипотеза, которую можно проверять и уточнять по мере накопления новых данных. В будущем, с началом работы обзора Вселенной LSST (Legacy Survey of Space and Time), проводимого обсерваторией Веры Рубин, а также с продолжением миссии DESI, станет возможно окончательно определить, действительно ли тёмная энергия изменяется, или наблюдаемое отклонение — лишь статистический артефакт.
Значение этих результатов трудно переоценить. Тёмная энергия составляет около 70% общей плотности энергии Вселенной и определяет её будущее. Если плотность этой компоненты будет снижаться, ускорение космического расширения замедлится. Это приведёт к сценарию «Большого замерзания» (Big Freeze), при котором космос постепенно охладеет, разбухнет и окажется в состоянии вечной темноты и разреженности. В отличие от альтернативных сценариев — «Большого разрыва» (Big Rip), где ускорение становится настолько экстремальным, что разрывает даже элементарные частицы, или «Большого сжатия» (Big Crunch), когда расширение сменяется коллапсом, — текущие данные указывают на более спокойное, но не менее трагичное будущее.