Самая большая трехмерная карта Вселенной указала на переменчивость темной энергии

DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — самый мощный на сегодня спектрометр, способный собирать данные сразу по нескольким объектам. Пять тысяч маленьких «роботов» направляют его «глаза» на заранее выбранные галактики. Так всего за 20 минут инструмент успевает проанализировать новую порцию из пяти тысяч галактик. За ночь DESI может измерить спектр 100 тысяч галактик. Площадь его обзора — треть неба.

Телескоп начал работу в 2021 году, и за пять лет работы обзор соберет данные по 37 миллионам галактик и трем миллионам квазаров. Более чем в 10 статьях, выложенных на портале arXiv, ученые представили результаты анализа данных за первый год наблюдений.

Важное отличие проекта DESI — полностью «слепой анализ» данных. Разрабатывая код для анализа, ученые работают с измененными данными наблюдений. Лишь потом готовый код применяют на «чистые» данные. Такой подход помогает избежать непреднамеренной предвзятости.

Свет от самых дальних объектов на новой карте шел до Земли от восьми до 11 миллиардов лет. Их спектр удалось собрать с рекордной точностью — 0,82%. Средняя точность данных — 0,5%. Получается, DESI уже в два раза точнее в измерении скорости расширения Вселенной, чем его предшественник — обзор BOSS, проведенный в рамках Слоуновского обзора.

Расширение Вселенной — больная тема для космологии. Еще несколько десятилетий назад большинство ученых считали, что со временем силы гравитационного взаимодействия должны замедлить расширение Вселенной. Но в 1998 году физики обнаружили, что самые дальние сверхновые тусклее, чем должны быть, исходя из их красного смещения. Если бы расширение замедлялось, далекие сверхновые были бы ярче. Так возникла гипотеза о темной энергии, противостоящей притяжению и способной ускорять расширение Вселенной, даже несмотря на темную материю, которая притяжению «помогает».

Поэтому, чтобы разобраться в темной энергии, ученые хотят понять, как расширялась Вселенная. Сделать это можно по барионным акустическим осцилляциям (БАО) — «ряби» в распределении материи в масштабах всего космоса. Эти флуктуации — наследие со времен, когда Вселенная была морем плазмы. Малейшие взаимодействия создавали в ней «рябь», как камушки, брошенные в воду, только в трехмерном пространстве — этакие пузыри.

Вселенная охлаждалась и расширялась, и застывшие «пузыри» БАО расширялись вместе с ней — уже не в форме перепадов плотности плазмы, а в форме распределения по Вселенной материи, то есть галактик. Собирая данные о галактиках, DESI дает ученым возможность измерить БАО в разные эпохи Вселенной.

Пока ученые разделили данные DESI на семь эпох. «Близко» к нам они анализировали распределение обычных галактик. Чем дальше, тем их свет тусклее, поэтому для анализа БАО в ранней Вселенной исследователи использовали квазары.

На пути между нами и далекими квазарами есть множество скоплений материи, которые мы не видим, но зато они поглощают пролетающий сквозь них свет квазаров. Не весь, а конкретных фрагментов спектра, соответствующих водороду. Эти характерные следы поглощения в спектре далеких объектов называют «лесом Лайман-альфа». Так карту БАО в ранней Вселенной ученые строили по спектру 450 тысяч квазаров (по завершении обзора DESI у них будет уже три миллиона квазаров).

В целом результаты первого года наблюдений согласуются со стандартной космологической моделью ΛCDM. Но сами по себе данные DESI не позволяют точно измерить эволюцию темной энергии. Для повышения точности ученые взяли данные исследований сверхновых и с их помощью проверили другую гипотезу — что темная энергия непостоянна.

Оказалось, данные DESI лучше согласуются с гипотезой о меняющейся со временем темной энергии. Правда, стандартное отклонение полученных результатов не достигло «золотого стандарта». В науке «золотым стандартом» для открытия считается отклонение больше пяти сигм (они равны 99,9999 процента вероятности). Тут же в зависимости от базы данных по сверхновым у авторов получилось: 2,5 сигмы, 3,5 сигмы и 3,9 сигмы.

«Это пока не чистое подтверждение, но все же лучше всего данные согласуются с гипотезой об изменяющейся темной энергии. Что любопытно, именно она лучше объясняет первые три точки [на графике]. Пунктирная линия нам подходит больше всего, а она соответствует модели, в которой темная энергия не постоянна, как в ΛCDM, а может меняться со временем. Все наблюдения, которые мы собрали за прошедшие 25 лет, говорят о том, что простое решение, видимо, самое лучшее», — прокомментировала результаты Натали Паланк-Делабруи (Nathalie Palanque-Delabrouille), физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, одна из пресс-секретарей DESI.