Итоговые данные Dark Energy Survey бросают вызов пониманию эволюции Вселенной

Последние данные Dark Energy Survey бросают вызов нашему пониманию космической эволюции

После шести лет сканирования южного неба проект Dark Energy Survey (DES) опубликовал свой окончательный анализ по итогам 6-го года (Y6), представив одну из самых строгих на сегодняшний день проверок Стандартной космологической модели. Составив карту положений и форм почти 150 миллионов галактик на площади 5000 квадратных градусов, международная группа исследователей изучила 13,8-миллиардную историю Вселенной с беспрецедентной точностью. Результаты, полученные в рамках масштабного сотрудничества с участием таких исследователей, как J. Fang, Y. Zhang и J. Carretero, подтверждают устойчивое и интригующее несоответствие: современная Вселенная кажется менее «фрагментированной», чем должны были бы предполагать условия ранней Вселенной. Это «напряжение S8» (S8 tension) может сигнализировать о том, что наше текущее понимание физики — в частности, модель Лямбда-холодной тёмной материи (ΛCDM) — требует фундаментального пересмотра для объяснения эволюции космических структур.

Проект Dark Energy Survey, базирующийся на телескопе Blanco в Чили и управляемый частично Национальной ускорительной лабораторией имени Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory), был разработан для исследования природы тёмной энергии — таинственной силы, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Результаты 6-го года представляют собой кульминацию полудесятилетия наблюдений и нескольких лет тщательного «слепого» анализа — процесса, в котором учёные скрывают от себя окончательные результаты, чтобы избежать предвзятости подтверждения. Анализируя крупномасштабную структуру Вселенной, коллаборация DES стремится определить, как тёмная материя скапливалась на протяжении эонов и как тёмная энергия противодействовала этому процессу, растягивая саму ткань пространства-времени.

Методология космического картографирования

Для достижения этих результатов коллаборация использовала сложную методологию, известную как анализ «3x2pt», которая объединяет три различные двухточечные корреляционные функции. Во-первых, исследователи измерили «космический сдвиг» примерно 140 миллионов исходных галактик. Это включает в себя обнаружение мельчайших искажений в формах далеких галактик, вызванных гравитационным притяжением промежуточной тёмной материи — явление, известное как слабое гравитационное линзирование. Во-вторых, они проанализировали «галактический кластеринг» 9 миллионов линзирующих галактик, отображая их конкретные положения, чтобы увидеть, как галактики естественным образом группируются вместе. Наконец, они выполнили «линзирование галактика-галактика» — метод кросс-корреляции, который связывает положения галактик переднего плана с искажёнными формами фоновых галактик. Этот многосторонний подход позволяет провести самосогласованное измерение как общего количества материи во Вселенной, так и степени её концентрации.

Основным показателем, используемым для описания этой концентрации, является параметр S8, который представляет собой амплитуду кластеризации материи. Согласно анализу DES Year 6 3x2pt, значение S8 было измерено на уровне 0,789 ± 0,012, в то время как общая плотность материи (Ωm) составила 0,333. Эти цифры удивительно точны, однако они находятся в противоречии с прогнозами, полученными на основе реликтового излучения (CMB) — «послесвечения» Большого взрыва. Данные со спутника Planck, а также Атакамского космологического телескопа (ACT-DR6) и Телескопа Южного полюса (SPT-3G) предполагают более высокое значение S8, что означает, что ранняя Вселенная предсказывает более «комковатую» современную Вселенную, чем DES наблюдает на самом деле.

Растущее «напряжение S8»

Это расхождение, известное как напряжение S8, стало центральным вопросом современной космологии. Результаты DES Year 6 показывают напряжение в 2,6 сигма при проецировании только на параметр S8 в сравнении с наборами данных первичной анизотропии CMB. При рассмотрении всего пространства параметров разница составляет примерно 1,8 сигма. Хотя эти цифры могут показаться дилетанту незначительными, в мире высокоточной физики они представляют собой устойчивую «трещину» в Стандартной модели. Если ранняя Вселенная (CMB) и поздняя Вселенная (галактики, нанесенные на карту DES) не согласуются, это говорит о том, что за миллиарды лет космической эволюции произошло нечто, чего наши нынешние уравнения не учитывают. Вселенная фактически оказывается более «гладкой», чем мы думали на данном этапе её жизни.

Статистическая надёжность этого вывода подкрепляется огромным масштабом коллаборации DES. При участии таких институтов, как Чикагский университет (University of Chicago), Принстонский университет (Princeton University) и Университетский колледж Лондона (University College London), исследование прошло исчерпывающие систематические проверки. Исследователи учли такие переменные, как ошибки фотометрического красного смещения (оценка расстояний до галактик), внутреннюю ориентацию галактик и эффекты «барионной обратной связи» — то, как газ и звёзды внутри галактик могут перемещать материю и размывать сигнал тёмной материи. Несмотря на эти поправки, напряжение S8 сохраняется, что позволяет предположить, что результат является особенностью Вселенной, а не ошибкой измерения.

За пределами Стандартной модели: wCDM и новая физика

В дополнение к стандартной модели ΛCDM, где тёмная энергия рассматривается как неизменная «космологическая постоянная», исследователи также смоделировали свои данные, используя рамки wCDM. В этой версии Вселенной параметру уравнения состояния тёмной энергии (w) позволено варьироваться. Результаты Y6 3x2pt дали значение w, равное -1,12, что согласуется с космологической постоянной (w = -1), но оставляет место для «динамической» тёмной энергии, которая меняется со временем. Когда данные DES 3x2pt были объединены с другими наборами данных с низким красным смещением, включая сверхновые (SNe Ia), барионные акустические осцилляции (BAO) и скопления галактик, напряжение с CMB увеличилось до 2,8 сигма в модели ΛCDM.

Чем можно объяснить этот разрыв? Сейчас космологи рассматривают несколько сценариев «новой физики». Одна из возможностей заключается в том, что тёмная энергия не является постоянной силой, а эволюционирует, изменяя скорость космического расширения таким образом, что это препятствует росту структур. Другая гипотеза касается массы нейтрино; совместная аппроксимация DES Y6 с данными CMB и BAO позволила получить самые строгие на сегодняшний день ограничения на сумму масс нейтрино, установив, что она составляет менее 0,14 эВ. Если нейтрино или другие «тёмные» частицы ведут себя иначе, чем ожидалось, они могут оказывать тонкое давление, которое мешает материи группироваться так плотно, как предсказывают данные Planck.

Наследие Dark Energy Survey

Публикация результатов 6-го года знаменует собой важную веху для коллаборации Dark Energy Survey. Объединив все инструменты DES — слабое линзирование, кластеризацию, сверхновые и скопления — команда создала определяющую карту Вселенной с низким красным смещением. Этот набор данных будет служить золотым стандартом на долгие годы, обеспечивая базу для обсерваторий следующего поколения. Высокая значимость этой работы отражена в её точности; совместная подгонка Y6 3x2pt с CMB и другими наборами данных позволила получить наиболее точные на сегодняшний день космологические параметры: плотность материи 0,302 и постоянную Хаббла (h) 0,683.

В будущем «кризис в космологии», вероятно, будет разрешён с помощью ещё более масштабных обзоров. Обзор наследия пространства и времени (LSST) Обсерватории имени Веры Рубин (Vera C. Rubin Observatory) и миссия Euclid Европейского космического агентства (ESA) нацелены на наблюдение миллиардов галактик, что оставит далеко позади 150 миллионов, проанализированных DES. Эти предстоящие проекты либо подтвердят, что напряжение S8 является признаком революционной новой физики, либо покажут, что это была статистическая флуктуация. На данный момент результаты 6-го года DES остаются свидетельством человеческой изобретательности, обеспечивая более ясный — хоть и более загадочный — взгляд на тёмные силы, формирующие нашу реальность. Как заключают J. Fang, Y. Zhang и их коллеги, Вселенная продолжает хранить тайны, которые бросают вызов нашим самым фундаментальным предположениям о природе пространства и времени.