Двадцать пять лет назад ученые задумали проект «Обзор темной энергии» (Dark Energy Survey, DES). И вот сейчас международная коллаборация впервые представила итоговые результаты, объединившие все шесть лет наблюдений. Они использовали данные по слабому гравитационному линзированию и распределению галактик, а затем впервые свели воедино все четыре ключевых метода изучения Вселенной, как и планировалось изначально.

DES наглядно показывает, как из одних и тех же изображений неба можно извлечь множество разных измерений. Это очень мощный подход, — говорит Мартин Кросс, научный сотрудник Института космических наук в Барселоне и сопредседатель анализа. — В нынешнем поколении экспериментов по изучению темной энергии такое сделано впервые.

Анализ дал новые, более жесткие ограничения для моделей, описывающих поведение Вселенной.

Они более чем в два раза точнее предыдущих результатов DES и при этом с ними согласуются.

Сводить вместе разные космологические методы — невероятно увлекательно, — отмечает Чихвей Чанг, доцент Чикагского университета. — То, что у нас есть экспертиза для такого синтеза, — уникальная черта DES.

Как измерить темную энергию

Примерно век назад астрономы обнаружили, что далекие галактики, кажется, удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем быстрее она «убегает». Это стало первым ключевым доказательством расширения Вселенной. Но поскольку миром правит гравитация, сила, притягивающая материю, ученые ожидали, что со временем расширение будет замедляться.

Однако в 1998 году две независимые группы космологов, изучая далекие сверхновые, сделали шокирующее открытие: расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Чтобы объяснить это, они предположили существование особой энергии, ответственной за ускорение, — темной энергии. Сейчас астрофизики считают, что на нее приходится около 70% всей массы-энергии Вселенной. Но мы по-прежнему почти ничего о ней не знаем.

В последующие годы ученые начали разрабатывать эксперименты для изучения темной энергии, включая DES. Сегодня это международная коллаборация более 400 ученых из 35 институтов в семи странах. Руководит проектом Национальная ускорительная лаборатория им. Ферми (Фермилаб) Министерства энергетики США. В работе участвуют исследователи из американских университетов, NSF NOIRLab и национальных лабораторий Минэнерго США: Аргоннской, имени Лоуренса в Беркли и SLAC.

С 2013 по 2019 год коллаборация провела глубокий и широкий обзор неба. Фермилаб создала сверхчувствительную 570-мегапиксельную цифровую камеру DECam и установила ее на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко в межамериканской обсерватории Серро-Тололо (Чилийские Анды). За 758 ночей за шесть лет DES зафиксировала данные о 669 миллионах галактик в миллиардах световых лет от нас, охватив одну восьмую небесной сферы.

Для финальных результатов ученые DES значительно усовершенствовали методы использования слабого линзирования для точного восстановления распределения материи во Вселенной. Они измерили вероятность того, что две галактики находятся на определенном расстоянии друг от друга, и вероятность того, что слабое линзирование искажает их схожим образом. Восстановив распределение материи за 6 миллиардов лет космической истории, эти измерения позволили определить, сколько темной энергии и темной материи присутствовало в каждый момент времени.

Одна из самых захватывающих частей финального анализа DES — это прогресс в калибровке данных, — говорит Александра Амон, сопредседатель рабочей группы по слабому линзированию в DES. — Методологии, разработанные нашей командой, лягут в основу исследований следующего поколения.

В этом анализе DES проверила свои данные на соответствие двум моделям Вселенной:

• Стандартной космологической модели (ΛCDM), где плотность темной энергии постоянна.
• Расширенной модели (wCDM), где плотность темной энергии меняется со временем.

DES обнаружила, что их данные в основном соответствуют стандартной модели. Данные также согласуются с моделью эволюционирующей темной энергии, но не лучше, чем со стандартной.

Однако один параметр по-прежнему вызывает вопросы. Исходя из измерений ранней Вселенной, обе модели предсказывают, как будет распределяться материя в более поздние эпохи, которые изучает DES. В предыдущих анализах распределение галактик оказалось иным, чем предсказывали модели. С добавлением новых данных это расхождение даже немного увеличилось, хотя пока и недостаточно, чтобы с уверенностью сказать, что стандартная модель неверна. Разница сохранилась даже при объединении данных DES с результатами других экспериментов.

Мы видим, что и стандартная модель, и модель эволюционирующей темной энергии хорошо, но не идеально, описывают наблюдения как ранней, так и поздней Вселенной, — поясняет Жюдит Прат, еще один сопредседатель рабочей группы по слабому линзированию.

Прокладывая путь

Следующим шагом DES станет объединение этих результатов с новейшими данными других экспериментов для проверки альтернативных моделей гравитации и темной энергии. Эта работа также важна тем, что прокладывает путь для новой обсерватории имени Веры Рубин (Vera C. Rubin Observatory). Ее масштабный обзор неба LSST займется аналогичными исследованиями.

Точность измерений будет только возрастать в ближайшие несколько лет, — говорит Анна Поррелон, сопредседатель рабочей группы по крупномасштабной структуре DES. — Мы сделали серьезный шаг в повышении точности, но все эти измерения станут намного лучше с новыми наблюдениями обсерватории Рубин и других телескопов. Удивительно, что, вероятно, через 10 лет у нас появятся ответы на некоторые вопросы о темной энергии.

Прямой практический выход в виде новых технологий здесь неочевиден. Главная польза — фундаментальная. Мы пытаемся понять, из чего состоит и по каким законам живет наша реальность. Темная энергия — это 70% всего сущего. Не зная ее природы, мы не можем быть уверены в долгосрочной судьбе Вселенной: будет ли она расширяться вечно, разорвется ли или сколлапсирует. Уточнение параметров — это проверка самих основ физики. Более того, методы анализа огромных массивов астрономических данных, разработанные в DES (например, та самая продвинутая калибровка для слабого линзирования), уже стали стандартом для новых проектов вроде обсерватории Рубин. Это прорыв в области data science, который найдет применение далеко за пределами космологии.

Основное критическое замечание касается не самого исследования, а интерпретации сохраняющегося «напряжения» (tension) в данных. Коллаборация честно указывает на расхождение между измеренным распределением галактик и предсказаниями моделей, основанными на ранней Вселенной. Однако пока это расхождение не достигает статистической значимости в 5 сигма, которая в физике элементарных частиц считается порогом для открытия. Есть риск, что настойчивые поиски „новой физики“ в этой аномалии могут отвлечь ресурсы, в то время как расхождение может со временем „рассосаться“ с получением более точных данных или быть объяснено более приземленными систематическими погрешностями, которые так сложно полностью исключить в наблюдениях такого масштаба.

Ранее мы разбирались, можно ли отменить гравитацию.