Ученые под руководством главного научного сотрудника ИТФ имени Л.Д. Ландау, академика РАН Алексея Старобинского предложили новое описание космологической постоянной, она же темная энергия. В разработанной физиками модели космологическая постоянная не является неизменной, а медленно распадается на темную материю, и скорость этого процесса не зависит от внешних условий, а подчиняется исключительно внутренним свойствам самой темной энергии. Такая модель позволяет объяснить аномалию в наблюдаемых параметрах красных смещений. Статья ученых опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Препринт можно найти на сайте arXiv.org.

Темная материя и темная энергия вместе составляют около 95% всего вещества Вселенной — и при этом ученые мало знают о них. «Темные» составляющие Вселенной не испускают и не поглощают электромагнитное излучение, в том числе свет, поэтому наблюдать их непосредственно невозможно. С другими составляющими Вселенной темная материя и темная энергия взаимодействуют только силой гравитации. Но именно эти две компоненты во многом определяют свойства Вселенной — например, ее расширение обусловлено свойствами темной энергии, а именно тем, что она обладает отрицательным давлением. По модулю оно почти равно плотности энергии Вселенной — то есть, фактически, ее массе. Массивная Вселенная стремится «схлопнуться», но отрицательное давление «работает» в противоположном направлении, и в итоге гравитация темной энергии расталкивает материю Вселенной.

Разобравшись, что представляют собой «темные» компоненты Вселенной, физики смогут точнее описать ее законы. Но пока ученые не знают даже многих базовых фактов: например, неизвестно, стабильна темная энергия или со временем она может распадаться. Долгое время считалось, что темная материя неизменна — то есть ее плотность остается постоянной на протяжении миллиардов лет. Простейшей моделью темной энергии является предложенная Эйнштейном космологическая постоянная.

«Если Эйнштейн прав на 100%, то темная энергия неизменна и вечна. Но что, если он прав только, скажем, на 99,99%? — задается вопросом Алексей Старобинский. — Темной энергии в природе так много, что если бы даже ничтожная доля ее за 14 миллиардов лет, прошедших с периода Большого Взрыва, распалась на известные элементарные частицы, в том числе на фотоны — кванты света, то это был бы колоссальный новый источник полезной для человечества энергии».

Наблюдения показывают, что современная темная энергия качественно не отличается от первичной темной энергии, которая существовала на самых ранних этапах жизни Вселенной до Большого Взрыва и поддерживала инфляционную стадию ее ускоренного расширения — хотя количественно их плотности энергии разнятся колоссально. Первичная темная энергия заведомо была метастабильной и давно распалась. Это позволяет предположить, что и современная темная энергия может быть нестабильной и распадаться. Сама по себе эта гипотеза не нова. Впервые ее предложил замечательный советский ученый Матвей Бронштейн еще в 1933 году. Он предполагал, что космологическая постоянная распадается на видимую материю. Однако последующие наблюдения показали, что такой сценарий скорее всего невозможен. «Куда больше интересных возможностей сейчас представляют каналы распада на различные “темные” компоненты Вселенной, существование и количество которых можно обнаружить только по их вкладу в гравитационное поле Вселенной — подобно тому, как мы обнаруживаем и измеряем электрический заряд тел по создаваемому ими электрическому полю» — говорит Старобинский.

В последнее десятилетие было предложено много теоретических моделей взаимодействия различных видов темных компонент, однако наблюдения их не подтверждают. Более того, как отмечают в статье Старобинский и коллеги, до сих пор не был рассмотрен наиболее естественный и постоянно встречающейся в природе распад — аналогичный радиоактивному распаду неустойчивых ядер и элементарных частиц. «Наиболее важное общее свойство такого распада — независимость скорости распада и времени полураспада от внешних условий. Эти величины определяются только внутренними свойствами частиц и ядер», — объясняет Старобинский. В случае темной энергии скорость ее распада не зависит от таких условий, как скорость расширения Вселенной, ее возраст и плотность материи в ней.

В своей работе физики рассмотрели три возможных канала распада темной энергии. Первый подразумевает, что она распадается в точности как радиоактивные ядра — по экспоненциальному закону — на нечто, подобное ей самой (то есть бесструктурное), но имеющее другое уравнение состояния. Во втором случае предполагается, что темная энергия переходит в реально существующую темную материю. Согласно третьему варианту, темная энергия распадается на гипотетическое темное излучение, которое качественно похоже на обычное излучение, но состоит из других безмассовых или очень легких частиц, практически не взаимодействующих с видимой материей.

«Анализ показал, что вторая модель лучше остальных позволяет объяснить как существующие космологические параметры наблюдаемой Вселенной, так и ее эволюцию в прошлом. Из нее вытекает, что время полураспада темной энергии по этому каналу не менее, чем в 17 раз превосходит возраст Вселенной. Другими словами, если распад темной энергии на темную материю и происходит, то он идет очень медленно», — поясняет Старобинский полученные результаты.

Предложенная физиками модель распада темной энергии на темную материю хорошо описывает небольшое отклонение закона расширения Вселенной в прошлом от стандартной космологической модели, которое недавно обнаружили французские астрономы. Стандартная космологическая модель предполагает, что космологическая постоянная строго неизменна. Проверить, так ли это, можно, измеряя так называемые барионные осцилляции — определенные корреляции в пространственном распределении далеких объектов, например галактик или квазаров. Эти корреляции возникают из-за того, что в далеком прошлом, в эпоху горячего Большого Взрыва Вселенная была однородной и изотропной (такая «гладкость» — следствие предшествовавшей Большому Взрыву инфляционной стадии ускоренного расширения). Из-за этого звуковые волны неоднородности материи в первичной плазме оказываются не бегущими, а стоячими. Практически же барионные осцилляции используются как инструмент для определения скорости расширения Вселенной в прошлом.

И оказалось, что для группы квазаров со средним красным смещением z = 2.34 (это примерно соответствует возрасту Вселенной 2,7 миллиарда лет) наблюдается отклонение, соответствующее меньшей скорости расширения Вселенной, чем предсказывает стандартная космологическая модель.

Если независимые наблюдения барионных осцилляций в более обширных группах далеких галактик и квазаров, а также другие тесты не опровергнут этот результат, его можно будет считать подтверждением модели Старобинского и коллег. И в этом случае теоретические расчеты физиков предсказывают, что время полураспада темной энергии на темную материю конечно и составляет примерно 450 миллиардов лет.

Договориться об интервью с учеными или запросить комментарии и дополнительную информацию можно по адресу: press@itp.ac.ru