В карте Вселенной 47 млн галактик, но тайна темной энергии все еще сохраняется

Фото из открытых источников

Ученые завершили создание крупнейшей в мире трехмерной карты Вселенной с высоким разрешением, зафиксировав более 47 миллионов галактик и ярких систем черных дыр. Карта превращает далекий свет в летопись космического расширения за последние 11 миллиардов лет. Но сила, которая, как предполагается, управляет этим расширением, — темная энергия — остается загадкой. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.

В течение пяти лет наблюдений за небом прибор DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), установленный на телескопе и используемый для картирования галактик, собрал доказательства, подтверждающие эти данные.

Используя эти измерения, Майкл Леви, директор DESI в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkley Lab), связал карту со скрытым двигателем Вселенной.

По предварительным данным, количество галактик и квазаров, чрезвычайно ярких ядер галактик, питаемых черными дырами, составляло 34 миллиона, прежде чем число наблюдений превысило 47 миллионов. Такой расширенный охват позволяет исследователям более точно проверять скрытую энергию, управляющую долгосрочным будущим Вселенной, а не только ее прошлым.

Астрономы называют этот скрытый фактор темной энергией — силой, связанной с ускоренным расширением космоса. По мере расширения пространства галактики отдаляются друг от друга, и, судя по всему, темная энергия со временем усиливает этот процесс расширения.

По оценкам НАСА, темная энергия занимает от 68% до 70% космоса, в то время как обычная материя, то есть атомы, составляет примерно пять процентов. Прогнозы на будущее зависят от того, останется ли эта сила стабильной, ослабнет ли она или изменится таким образом, который современная физика пока не может объяснить.

Для каждого объекта DESI измеряла красное смещение — искажение света, показывающее, как быстро объект удаляется от нас. В опубликованном описании прибора объясняется, как десять спектрографов — устройств, разделяющих свет по цветам, — преобразовывали слабые сигналы в измеримые координаты. Накопленные миллионы расстояний превратили плоское небо в трехмерную летопись, охватывающую период примерно в 11 миллиардов лет истории. Даже такой охват не позволяет увидеть каждый регион, поскольку наша собственная галактика блокирует часть слабого фонового света, поступающего извне.

Положение галактик имеет значение, потому что гравитация притягивает материю в скопления, оставляя за собой узоры, которые формируются в результате расширения галактик на протяжении глубокого космического времени.

Космологи измеряют барионные акустические колебания, древние закономерности расположения атомов в материи, чтобы сравнить раннюю структуру с более поздней. Трехлетний анализ показал, что эти закономерности соответствуют стандартным ожиданиям, но лучше проявляются в случаях, когда темная энергия может изменяться. Этот результат усиливает давление на хорошо известную идею, хотя скрытая проблема с данными всё ещё может её ослабить.

Хорошо известное понятие — это космологическая постоянная, член Эйнштейна, обозначающий фиксированную энергию пустого пространства. Согласно этой точке зрения, тёмная энергия никогда не меняется, поэтому расширение космоса должно следовать одному устойчивому долгосрочному пути.

Новые измерения DESI снижают некоторые из существующих противоречий, однако они не опровергают гипотезу о существовании изменяющейся во времени темной энергии. Для более убедительных доказательств потребуется, чтобы завершенная карта выдержала проверку на наличие взрывов звезд и более древнего света из ранней Вселенной.

В Национальной обсерватории Китт-Пик, расположенной на вершине горы в Аризоне, DESI работала в условиях жары, непогоды и перебоев в работе. Его роботизированные позиционеры волокон, крошечные манипуляторы, которые направляют несущие свет волокна, перенацеливали сеть примерно каждые 10-20 минут.

Лесной пожар 2022 года на несколько месяцев лишил пожарных услуг электроснабжение и доступ в интернет, но бригадам удалось восстановить достаточное количество ночей наблюдений, чтобы завершить работы раньше срока.

После завершения запланированного исследования команда продолжила наблюдения DESI до 2028 года, вместо того чтобы приостановить работу прибора и ждать. Цель этого расширения — увеличить площадь, охватываемую обзором неба, примерно на одну пятую. 

Более твердые области находятся вблизи яркой плоскости Млечного пути или ниже в южной части неба, где происходит интерференция со стороны атмосферы. Более широкое освещение событий может ужесточить критерии оценки потенциала роста, но оно также вносит путаницу, к которой аналитики должны относиться с осторожностью, прежде чем доверять их выводам.

В ходе тех же наблюдений было зафиксировано более 20 миллионов близлежащих звёзд внутри и вокруг Млечного пути. Эти звезды помогают составить карту темной материи — невидимой массы, обнаруживаемой гравитацией, — поскольку их движение выявляет скрытое притяжение.

Малые карликовые галактики, маломассивные компаньоны более крупных галактик, особенно хорошо отражают это притяжение, когда гравитация искажает их звёзды. 

В этой работе, выполненной неподалеку, не удаётся назвать частицы тёмной материи, но она может сузить область поиска доказательств для теоретиков. Завершенный набор данных теперь переходит в стадию обработки, где ученые проверяют координаты, устраняют ошибки и подготавливают общедоступные измерения.

В первом публичном выпуске данных DESI были представлены результаты 13 месяцев наблюдений, и уже содержалось 18,7 миллиона достоверных расстояний до космических объектов.

Полные результаты пятилетнего исследования темной энергии ожидаются в 2027 году, после того как коллаборация проверит самые точные утверждения карты на основе данных за все годы наблюдений.

До тех пор самым убедительным доказательством будет не ответ, а гораздо лучший способ его получить, подкрепив его доказательствами. Теперь к более точным измерениям расстояний, более жестким модельным тестам и новым целям, выходящим за рамки первоначального плана, добавилась увеличенная карта.

«Мы не знаем, что найдем, но думаем, это будет довольно захватывающе», — сказал Леви.