Физики предложили новое объяснение ускорения Вселенной
Международная группа физиков предложила модель, в которой темная энергия меняется со временем: ее плотность сначала отрицательна, а затем становится положительной. Такое поведение следует из альтернативной теории гравитации, а не из отдельного условия, которое авторы добавили в расчеты. Модель может помочь объяснить наблюдения, которые ставят под вопрос постоянство темной энергии. Но исследователям еще предстоит проверить ее по полному набору данных.
Темной энергией называют компонент, с помощью которого космологи объясняют ускоренное расширение Вселенной. В стандартной модели ΛCDM (читается как лямбда-си-ди-эм) ее описывает космологическая постоянная: плотность темной энергии не меняется на протяжении космической истории. Однако данные спектроскопического инструмента DESI в сочетании с другими наблюдениями указывают, что это предположение может быть неверным. Пока этих свидетельств недостаточно, чтобы объявить об открытии.
Команда под руководством Озгюра Акарсу из Стамбульского технического университета изучила другой способ описать гравитацию — телепараллельную теорию. Общая теория относительности Эйнштейна связывает гравитацию с кривизной пространства-времени. Телепараллельный подход использует другую геометрическую характеристику — кручение. Авторы рассмотрели экспоненциальный вариант этой теории и исследовали решения, которые прежние работы оставляли в стороне. Статья вышла в журнале Physical Review D в 2025 году.
Раньше исследователи этого варианта теории исходили из того, что плотность темной энергии должна оставаться положительной. Команда Акарсу сняла это ограничение. Оказалось, что при одном и том же количестве материи в современной Вселенной уравнения допускают два разных сценария ее эволюции. Один близок к стандартной космологической модели. В другом плотность эффективной темной энергии была отрицательной в первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва, а затем сменила знак.
В расчетах переход произошел около 9,5 миллиарда лет назад, при красном смещении примерно 1,5. С тех пор плотность оставалась положительной. Слово «эффективная» здесь означает, что авторы описывают влияние измененной гравитации как вклад темной энергии. Они не обнаружили отдельное вещество с отрицательной плотностью.
Чтобы получить этот сценарий, физикам не пришлось вводить дополнительный свободный параметр. Величина, от которой зависит выбор между двумя решениями, связана с нынешней плотностью материи во Вселенной. Поэтому модель содержит столько же космологических параметров, сколько стандартная ΛCDM — шесть. Расчеты также показывают, что она может согласоваться с проверками гравитации в Солнечной системе: в среде с высокой плотностью материи отклонения от теории Эйнштейна подавляются.
Акарсу и его коллеги уже несколько лет изучают сценарий ΛsCDM, в котором космологическая постоянная меняет знак с отрицательного на положительный. По предыдущим исследованиям, такой сценарий согласуется с данными DESI и может уменьшить некоторые расхождения между космологическими измерениями. Новая работа предлагает физический механизм, который способен породить похожее поведение: смена знака возникает из уравнений гравитации.
Один из вопросов, которые авторы хотят проверить, — расхождение Хаббла. Разные способы оценить нынешнюю скорость расширения Вселенной дают разные результаты: измерения в близкой Вселенной указывают на более высокую скорость, чем оценки по реликтовому излучению в рамках стандартной модели. Предварительный анализ расширенной версии новой модели, куда авторы добавили космологическую постоянную, допускает более высокую скорость расширения и при этом сохраняет согласие с данными о реликтовом излучении. Эта же версия допускает, что ускорение расширения в недавнем космическом прошлом могло ослабнуть или прекратиться. Речь идет о прекращении ускорения, а не самого расширения Вселенной.
Теперь модель нужно сопоставить с наблюдениями. DESI измеряет положения миллионов галактик и квазаров и строит трехмерную карту Вселенной, по которой ученые прослеживают историю ее расширения. В марте 2025 года коллаборация представила результаты первых трех лет работы. Вместе с данными о сверхновых, реликтовом излучении и слабом гравитационном линзировании они усилили прежние указания на то, что темная энергия может меняться. Убедительность этого вывода пока зависит от того, какие наборы данных исследователи объединяют.
К моменту публикации материала DESI завершил запланированный пятилетний обзор и наблюдал более 47 миллионов галактик и квазаров. Авторы теоретической работы подали ее еще в октябре 2024 года — до выхода трехлетних результатов DESI. Проверка по полному набору данных остается следующим этапом. Ученым предстоит выяснить, верно ли модель описывает не только расширение Вселенной, но и рост космических структур и то, как гравитация отклоняет свет.