Великий радянський фізик і нобелівський лауреат Лев Ландау якось зауважив, що «космологи часто помиляються, але ніколи не сумніваються». Вивчаючи історію Всесвіту, завжди є шанс, що ми все зрозуміли неправильно, але ми ніколи не дозволяємо цьому стати на шляху наших пошуків.

На початку третьої декади березня поточного року оголошено про новаторські відкриття науковців, що працюють з приладом для спектроскопії темної енергії (Dark Energy Spectroscopy Instrument, DESI), встановленому на на 4-метровому телескопі Ніколаса У. Мейолла в Національній обсерваторії Кітт-Пік (шт. Аризона, США). Це величезне дослідження, що встановило положення 15 мільйонів галактик, дало змогу створити найбільшу тривимірну мапу Всесвіту на сьогодні. Для контексту: світло від найвіддаленіших галактик, зареєстрованих у каталозі DESI, виникло 11 мільярдів років тому, коли вік Всесвіту становив приблизно одну п’яту від теперішнього.

Дослідники DESI вивчали особливість у розподілі галактик, яку астрономи називають «баріонними акустичними коливаннями». Порівнявши це зі спостереженнями дуже раннього Всесвіту та наднових, вони припустити, що темна енергія — таємнича сила, яка спричиняє розширення Всесвіту — не постійна протягом всієї історії Всесвіту.

Оптимістичний погляд на ситуацію полягає в тому, що рано чи пізно природа темної матерії та темної енергії буде відкрита. Перші проблиски результатів DESI дають принаймні невелику надію на досягнення цього.

Склад Космосу: значення різних складових Всесвіту, отримані за допомогою спостережень космічного мікрохвильового випромінювання за допомогою космічного зонда Planck («Планк»). Зображення з книжки «The Reinvention of Science» («Відродження науки»), авт. Jones, Martínez and Trimble, CC BY-SA. Фото з сайту https://theconversation.com.

Однак цього може не статися. Ми можемо шукати й не досягти прогресу в розумінні ситуації. Якщо це станеться, нам доведеться переосмислити не лише наші дослідження, але й саму космологію. Нам треба буде знайти абсолютно нову космологічну модель, яка б працювала так само добре, як і нинішня, але яка б пояснювала цю невідповідність. Зайве говорити, що це було б важким завданням.

Для багатьох, хто цікавиться наукою, це захоплива, потенційно революційна перспектива. Однак, як стверджують автори книжки «The Reinvention of Science» («Відродження науки») 2023 року, таке переосмислення космології та всієї науки не є новим.

Пошук двох чисел

Ще в 1970 р. Еллан Сендидж (Allan Sandage) написав статтю, яку часто цитують, вказавши на два числа, що наближають нас до відповіді стосовно природи космічного розширення. Він мав на меті виміряти їх і дізнатися, як вони змінюються з космічним часом. Ці числа є сталою Габбла, H₀, і параметром уповільнення, q₀.

Перше з цих двох чисел говорить нам, як швидко розширюється Всесвіт. Друге є ознакою гравітації: як сила тяжіння (гравітація) має протистояти космічному розширенню. Деякі дані показали відхилення від закону Габбла—Леметра, коефіцієнтом якого є перше число Сендіджа, H₀.

Жодних суттєвих відхилень від прямої лінії Габбла (йдеться про графік, побудований Габблом на підставі спостережень галактик — Ред.) виявити не вдалося, доки в 1997 р. не було зроблено проривів за допомогою проєкту космології наднових (Supernova Cosmology Project), яким керував Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), та роботи пошукової групи High-Z SN (High-Z SN Search Team) під керівництвом Адама Рісса (Adam Riess) та Браяна Шмідта (Brian Schmidt). Мета цих проєктів полягала в тому, щоб знаходити і спостерігати наднові, які вибухають у дуже віддалених галактиках.

Ці проєкти виявили явне відхилення від простої прямої лінії закону Габбла—Леметра, але з однією важливою відмінністю: розширення Всесвіту прискорюється, а не сповільнюється. Перлмуттер, Рісс і Шмідт приписали це відхилення космологічній сталій Айнштайна, яка позначена ​​грецькою літерою Лямбда, Λ, і пов’язана з параметром уповільнення.

Робота цих науковців принесла їм Нобелівську премію з фізики 2011 року.

Темна енергія: 70% Всесвіту

Дивно, але Лямбда-матерія, також відома як темна енергія, є головним компонентом Всесвіту. Він прискорює розширення Всесвіту з моменту, коли сила тяжіння поступається йому місцем, і на його частку припадає майже 70% загальної матерії та енергії Всесвіту.

Про космологічну постійну Λ ми знаємо мало або зовсім нічого. Насправді ми навіть не знаємо, що це константа. Коли Айнштайн у 1917 р. створив свою першу космологічну модель на основі загальної теорії відносності, то вказав, що існує постійне енергетичне поле. Але з розв’язків рівнянь слідувало, що це поле не розширювалось і не стискалося. Воно було статичним і незмінним, тому мало бути постійним.

Побудувати складніші моделі, які містили б це постійне поле, було легшим завданням: їх запропонував бельгійський фізик Жорж Леметр, друг Айнштайна. Стандартна космологічна модель нині засновані на роботі Леметра і її називають «Модель Λ-холодної темної матерії» (Λ-Cold Dark Matter, ΛCDM).

Вимірювання DESI самі собою повністю відповідають цій моделі. Однак, якщо об’єднати їх із даними спостережень космічного мікрохвильового фону та наднових, то найкраще підійде модель, що включає темну енергію, яка змінювалася протягом космічного часу, і яка (потенційно) більше не буде домінувати в майбутньому. Коротше кажучи, це означає, що космологічна константа не дає змоги пояснити природу темної енергії.

Великий Хрускіт

У 1988 р. лауреат Нобелівської премії з фізики 2019 року П. Джей Е. Піблз (P. J. E. Peebles) разом із Бхаратом Ратрою (Bharat Ratra) написав статтю про можливість існування космологічної сталої, яка змінюється з часом. Коли вони опублікували цю статтю, не було серйозної думки про Λ.

Це приваблива пропозиція. У такому разі поточна фаза прискореного розширення буде тимчасовою і завершиться в якийсь момент у майбутньому. Інші фази космічної історії мали початок і кінець: інфляція, ера домінування радіації, ера домінування матерії тощо.

Отже, нинішнє домінування темної енергії може зменшитися протягом космічного часу, тобто це не буде космологічною константою. Нова парадигма означатиме, що нинішнє розширення Всесвіту може врешті-решт перетворитися на «Великий Хрускіт» («Big Crunch»).

Інші космологи більш обережні, не в останню чергу через Карла Саґана, який мудро сказав, що «надзвичайні твердження вимагають надзвичайних доказів». Дуже важливо мати кілька незалежних рядків доказів, які вказують на той самий висновок. У нас ще цього немає.

Відповіді можуть бути отримані за допомогою одного з поточних проєктів — не лише DESI, але й Euclid («Евклід») і J-PAS (Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey) — які спрямовані на дослідження природи темної енергії за допомогою великомасштабного картографування галактик.

Хоча функціонування Космосу є предметом дебатів, одне можна сказати напевно — захопливий час для космології вже на горизонті.

За інф. з сайту https://theconversation.com