Найбільша тривимірна карта Всесвіту вказала на мінливість темної енергії

Опубліковано результати аналізу даних, зібраних протягом першого року спостережень у рамках огляду DESI. Цю точну карту галактик створюють вивчення еволюції Всесвіту — зокрема, її розширення під впливом гіпотетичної темної енергії. І, судячи з украй попередніх результатів, темна енергія слабшає.

DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — найпотужніший на сьогодні спектрометр, здатний збирати дані відразу по кількох об’єктах. П’ять тисяч маленьких «роботів» спрямовують його «очі» на заздалегідь обрані галактики. Так, всього за 20 хвилин інструмент встигає проаналізувати нову порцію з п’яти тисяч галактик. За ніч DESI може виміряти діапазон 100 тисяч галактик. Площа його огляду – третина неба.

Телескоп розпочав роботу у 2021 році, і за п’ять років роботи огляд збере дані щодо 37 мільйонів галактик та трьох мільйонів квазарів. Більш ніж у 10 статтях, викладених на порталі arXiv , вчені представили результати аналізу даних за перший рік спостережень.

Важлива відмінність проекту DESI є повністю «сліпим аналізом» даних. Розробляючи код для аналізу, вчені працюють зі зміненими даними спостережень. Лише потім готовий код застосовують на чисті дані. Такий підхід допомагає уникнути ненавмисної упередженості.

Світло від найдальших об’єктів на новій карті йшло до Землі від восьми до 11 мільярдів років. Їхній спектр вдалося зібрати з рекордною точністю — 0,82%. Середня точність даних – 0,5%. Виходить, DESI вже вдвічі точніше у вимірі швидкості розширення Всесвіту, ніж його попередник – огляд BOSS, проведений у рамках Слоунівського огляду.

Розширення Всесвіту – хвора тема для космології. Ще кілька десятиліть тому більшість учених вважали, що згодом сили гравітаційної взаємодії мають уповільнити розширення Всесвіту. Але в 1998 році фізики виявили, що найдальші наднові тьмяніші, ніж повинні бути, виходячи з їхнього червоного зміщення. Якби розширення сповільнювалося, далекі наднові були б яскравішими. Так виникла гіпотеза про темну енергію, що протистоїть тяжінню і здатна прискорювати розширення Всесвіту, навіть незважаючи на темну матерію, яка тяжінню «допомагає».

Тому, щоб розібратися в темній енергії, вчені хочуть зрозуміти, як розширювався Всесвіт. Зробити це можна за баріонними акустичними осциляціями (БАО) — «брижі» у розподілі матерії в масштабах усього космосу. Ці флуктуації — спадщина з часів, коли Всесвіт був морем плазми. Найменші взаємодії створювали в ній «брижі», як камінці, кинуті у воду, тільки в тривимірному просторі — такі собі бульбашки.

Всесвіт охолоджувався і розширювався, і застиглі «бульбашки» БАО розширювалися разом з нею — вже не у формі перепадів щільності плазми, а у формі розподілу по Всесвітній матерії, тобто галактик. Збираючи дані про галактики, DESI дає вченим можливість виміряти БАО у різні епохи Всесвіту.

Поки що вчені розділили дані DESI на сім епох. «Близько» до нас вони аналізували розподіл звичайних галактик. Чим далі, тим їхнє світло тьмяніше, тому для аналізу БАО в ранньому Всесвіті дослідники використовували квазари.

На шляху між нами і далекими квазарами є безліч скупчень матерії, які ми не бачимо, зате вони поглинають світло квазарів, що пролітає крізь них. Не весь, а конкретних фрагментів спектра, які відповідають водню. Ці характерні сліди поглинання у діапазоні далеких об’єктів називають «лісом Лайман-альфа». Так, карту БАО в ранньому Всесвіті вчені будували за спектром 450 тисяч квазарів (по завершенні огляду DESI у них буде вже три мільйони квазарів).

Загалом результати першого року спостережень узгоджуються зі стандартною космологічною моделлю CDM. Але самі собою дані DESI не дозволяють точно виміряти еволюцію темної енергії. Для підвищення точності вчені взяли дані досліджень наднових та за їх допомогою перевірили іншу гіпотезу — що темна енергія є непостійною.

Виявилося, дані DESI краще узгоджуються з гіпотезою про темну енергію, що змінюється з часом. Щоправда, стандартне відхилення одержаних результатів не досягло «золотого стандарту». У науці «золотим стандартом» для відкриття вважається відхилення більше ніж п’ять сигм (вони дорівнюють 99,9999 відсотка ймовірності). Тут же залежно від бази даних надновими в авторів вийшло: 2,5 сигми, 3,5 сигми і 3,9 сигми.

«Це поки не чисте підтвердження, але все ж таки найкраще дані узгоджуються з гіпотезою про темну енергію, що змінюється. Що цікаво, саме вона краще пояснює перші три точки [на графіку]. Пунктирна лінія нам найбільше підходить, а вона відповідає моделі, в якій темна енергія не постійна, як у ΛCDM, а може змінюватися з часом. Усі спостереження, які ми зібрали за минулі 25 років, свідчать про те, що просте рішення, мабуть, найкраще», — прокоментувала результати Наталі Паланк-Делабруї (Nathalie Palanque-Delabrouille), фізик із Національної лабораторії Лоуренса в Берклі, одна з прес-секретарів DESI.