Ученые усомнились в постоянстве темной энергии
Обычно звезды взрываются и исчезают, но некоторые из них оставляют после себя важнейшие улики, по которым ученые восстанавливают всю историю мироздания.
Примерно 50 взрывов звезд
С конца девяностых десятки экспериментов с помощью разных телескопов наловили больше двух тысяч таких сверхновых. Но сравнивать их напрямую — все равно что мерить удава в попугаях и мартышках. У каждого инструмента своя калибровка, свои погрешности. Чтобы привести все данные к общему знаменателю и точнее измерить влияние темной энергии, ученые собрали самый большой в истории стандартизированный каталог. Назвали его Union3. Собрала его международная группа Supernova Cosmology Project, которой руководит лаборатория Беркли в США.
Анализ этого набора данных намекнул на нечто любопытное: возможно, темная энергия меняется со временем. Результаты, которые опубликовали в издании The Astrophysical Journal, пока не позволяют утверждать это наверняка. Но они указывают в ту же сторону, что и данные другого масштабного проекта — спектроскопического инструмента DESI. Когда два разных метода видят одно и то же, ученые начинают нервно потирать руки. Плюс ко всему, похожий вывод напрашивается и из анализа другой группы сверхновых, собранных проектом Dark Energy Survey.
Никто пока не прыгает от счастья под потолком, — осторожно говорит Сол Перлмуттер, тот самый нобелевский лауреат из лаборатории Беркли, который открыл ускорение Вселенной. — Мы, ученые, привыкли сдерживать эмоции, потому что прекрасно знаем: новые данные могут все испортить. Но, с другой стороны, сейчас многие уже не просто сидят, а подались вперед. Два разных метода показывают, что простая модель Вселенной работает не идеально. Мы наконец-то вышли на уровень точности, где можно начинать выбирать между разными теориями.
В стандартной космологической модели, которую называют Лямбда-CDM, темная энергия считается постоянной величиной. Она всегда одинакова по силе и противодействует гравитации, создаваемой обычной и темной материей.
Но если темная энергия на самом деле может слабеть, это полностью меняет картину будущего.
Темная энергия занимает почти 70 процентов Вселенной, это главный мотор ее расширения, — объясняет Дэвид Рубин, первый автор исследования из Гавайского университета. — Если мотор начнет сдавать, расширение замедлится. И тогда встает вопрос: Вселенная будет расширяться вечно, расширение остановится или же все сожмется обратно? Это битва между темной энергией и материей. Мы хотим узнать, кто победит, и понять, из чего вообще сделана наша вселенная.
Проследить историю расширения помогают те самые сверхновые. Они вспыхивают очень предсказуемо, примерно с одинаковой яркостью. Такие объекты называют «стандартными свечами». Если знаешь истинную яркость свечи, по тому, насколько тусклой она кажется, можно вычислить расстояние до нее. Как в темном коридоре: чем дальше горит свеча, тем слабее свет. А еще ученые смотрят на красное смещение — насколько свет растянулся из-за расширения пространства, пока летел до нас.
В каталоге Union3 собрали и причесали 2087 сверхновых из 24 разных источников. Он позволяет заглянуть в прошлое примерно на 7 миллиардов лет. Для сравнения: предыдущая версия Union2 десятилетней давности содержала всего 557 взрывов.
Чтобы сшить лоскутное одеяло из разных данных, исследователи проанализировали кривые блеска — то, как яркость сверхновой нарастает и падает. Это помогло понять истинную мощность каждой вспышки и откалибровать их, как если бы мы приводили все свечи к одному эталону.
Ученые применили сложный статистический метод — байесовскую иерархическую модель. Она лучше справляется с неопределенностями. Проще говоря, этот метод позволяет учесть то, чего мы точно не знаем, но примерно догадываемся о пределах этого незнания. Например, светофильтры в телескопе со временем могут мутнеть, и часть света от сверхновой теряется. Раньше такие тонкости учесть было трудно, а теперь можно.
В ближайший год в каталог добавят еще три набора данных: одни сверхновые будут поближе к нам, другие — подальше.
Мы хотим создать надежную базу, особенно по близким сверхновым, где калибровка сложнее всего, а данных пока маловато, — говорит Грег Алдеринг из лаборатории Беркли, руководитель проекта Nearby Supernova Factory. — Кажется, мы разобрались в калибровке как никто до нас, и теперь нам не терпится проверить новые данные.
Новый метод анализа пригодится и в будущем, когда в игру вступят новые телескопы. Обсерватория Веры Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман в ближайшие годы добавят к выборке десятки, а то и сотни тысяч сверхновых.
Чтобы сложить полную картину, результаты по сверхновым складывают с данными других методов. Например, DESI изучает, как группируются галактики (это называется барионные акустические осцилляции, или BAO).
Метод BAO позволяет заглянуть глубже в прошлое, туда, где темная энергия была слабее, а сверхновые лучше рассказывают про недавнюю историю, — добавляет Перлмуттер. — Оба метода наконец-то доросли до того, чтобы мы могли всерьез тестировать модели. Мы ждали этого момента очень долго.
На первый взгляд кажется, что темная энергия — это чистая абстракция, которая никак не влияет на то, что происходит у нас на кухне. Но на самом деле исследования такого уровня меняют фундамент, на котором стоит наука.
- Польза для науки: мы пытаемся понять, работает ли наша главная теория тяготения (общая теория относительности) в масштабах всей Вселенной или ее нужно подправлять. Если темная энергия действительно меняется, это означает,
что-либо само пространство обладает какими-то странными свойствами, либо нам не хватает знаний о фундаментальных частицах. Это чистый драйв познания: человечество упирается в стену и начинает искать дверь. - Польза для жизни: вся современная техника — от навигаторов в телефонах до спутниковой связи — так или иначе опирается на фундаментальную физику. Теория относительности, например, нужна для точной работы GPS. Понимание того, как устроена Вселенная в целом, однажды может привести к технологиям, о которых мы сейчас даже не подозреваем. Это как спрашивать Майкла Фарадея в 19-м веке, зачем нужны его опыты с электричеством. Он бы не ответил, но без них у нас бы не было света в доме.
Главная проблема исследования — статистическая значимость результата пока еще низковата. Ученые сами честно признают, что намек на изменение темной энергии еще не дорос до статуса открытия. Это как увидеть в темной комнате тень и решить, что там стоит человек. Может, и стоит, а может, это просто пальто на вешалке.
К тому же, мы имеем дело с так называемыми «систематическими ошибками». Данные собирали 24 разных прибора за много лет. Несмотря на все ухищрения с байесовскими моделями, нельзя быть уверенным на сто процентов, что мы учли все искажения от атмосферы, пыли, старения оптики. Новая модель очень гибкая, но гибкость иногда играет злую шутку: она может подогнать ответ под то, что мы ожидаем увидеть. Нужно подождать данных с новых телескопов, которые специально заточены под эту задачу и не будут страдать от „детских болезней“ старых инструментов.
Ранее ученые выяснили, как темная материя управляла галактиками.
