Темная энергия может меняться со временем: 2 884 сверхновые усилили космологическую аномалию

У современной космологии появилась еще одна причина внимательнее смотреть на темную энергию. Международная команда исследователей объединила примерно 30 лет наблюдений в единую выборку из 2 884 вероятных сверхновых типа Ia. Новый набор получил название Supernovae Unite.

Он объединяет данные Pantheon+ и пятилетнего обзора Dark Energy Survey, но важно не только то, что выборка стала больше. Старые наблюдения заново привели к единой современной методологии, учитывая новые знания о пыли, галактиках-хозяевах, selection effects, гравитационном линзировании и других систематических эффектах.

Результат снова показывает странную картину. Когда сверхновые комбинируют с другими космологическими измерениями, модель с абсолютно постоянной темной энергией начинает выглядеть менее комфортно. Сценарий, в котором свойства темной энергии меняются со временем, во frequentist-анализе получает преимущество примерно на уровне 2,5–3,1σ в зависимости от способа оценки.

Это не открытие и точно не доказательство того, что стандартная ΛCDM-модель опровергнута. Но сигнал уже достаточно интересен, чтобы его нельзя было списать на одну красивую графику — особенно потому, что независимые измерения DESI ранее тоже показывали намеки в похожем направлении.

Зачем космологам взрывы белых карликов

Сверхновые типа Ia обладают чрезвычайно полезным свойством: их светимость можно стандартизировать. Они не абсолютно одинаковы, но после коррекции кривой блеска, цвета и других параметров астрономы способны довольно точно оценивать их истинную яркость.

Сравнив ее с тем, насколько тусклым взрыв выглядит с Земли, можно определить расстояние. Добавляем красное смещение — и получаем способ проследить, как расширялась Вселенная в разные эпохи.

Именно наблюдения сверхновых в конце 1990-х привели к открытию, что расширение Вселенной ускоряется. Для описания этого явления в современной космологии используется понятие темной энергии.

В стандартной ΛCDM-модели ее простейшее представление — космологическая постоянная Λ. Ее плотность не меняется вместе с расширением Вселенной, а equation-of-state parameter равен w = −1. Математически такая модель чрезвычайно успешна. Физически мы до сих пор почти не понимаем, что именно стоит за темной энергией.

2 884 сверхновые в одной согласованной системе

Supernovae Unite — это не механическое склеивание нескольких старых таблиц. За три десятилетия менялись телескопы, калибровка, методы анализа и наше понимание самих сверхновых. Если просто сложить исторические каталоги, систематические различия между ними могут создать ложный космологический сигнал.

Поэтому команда повторно обработала данные в единой системе. Авторы учитывали космическую пыль, массу галактики-хозяина, selection bias, гравитационное линзирование и различия между инструментами. Для более 98% выборки массы галактик-хозяев были переоценены в согласованной методологии.

В итоге исследователи получили 2 884 вероятные SN Ia — крупнейшую внутренне согласованную выборку такого типа, которую авторы используют для новых космологических ограничений.

Это важно, потому что статистическая точность современной космологии уже настолько высока, что небольшие систематические сдвиги могут имитировать «новую физику». Чем чище и однороднее набор данных, тем больше доверия можно иметь к оставшейся аномалии.

Что означают 2,5–3,1 сигма

Когда Supernovae Unite комбинируют с данными cosmic microwave background и baryon acoustic oscillations, модель с постоянным параметром темной энергии описывает все наборы не идеально. Если разрешить equation of state меняться со временем, напряжение уменьшается.

Авторы сообщают о frequentist-предпочтении примерно 2,5σ для maximum a posteriori и 3,1σ для maximum likelihood. Одновременно область неопределенности в плоскости параметров w0–wa уменьшилась примерно на 30% по сравнению с предыдущей комбинацией данных, которую анализировала команда.

Именно здесь очень легко сделать неправильный заголовок. В популярной подаче 3σ иногда превращают в «ученые почти доказали». Это не так. В физике частиц традиционным ориентиром для открытия служит 5σ, а в космологии еще важнее систематические ошибки, зависимость от модели и способ объединения наборов данных.

Более того, сами авторы указывают, что Bayesian evidence дает лишь слабое предпочтение сценарию с меняющейся темной энергией. То есть разные статистические подходы оценивают силу сигнала неодинаково. Корректная формулировка сегодня: у нас появились дополнительные свидетельства того, что темная энергия может эволюционировать. Некорректная: «доказано, что темная энергия меняется».

Почему все вспоминают DESI — и что будет дальше

Если бы странный результат возникал только в сверхновых, самым простым объяснением оставалась бы неучтенная систематика. Но DESI — Dark Energy Spectroscopic Instrument — ранее тоже показывал намеки на эволюцию темной энергии, используя совершенно другой метод: baryon acoustic oscillations.

BAO — это характерный масштаб в крупномасштабном распределении галактик, оставленный звуковыми волнами ранней Вселенной. Сверхновые и BAO измеряют историю космического расширения разными способами. Когда два независимых метода начинают показывать отклонение примерно в одном направлении, к аномалии естественно присматриваться внимательнее.

Если w действительно меняется со временем, это будет означать, что простейшая космологическая постоянная Λ является неполным описанием. Возможно, за ускорением стоит динамическое поле. Возможно, нужна модификация гравитации. Возможно, причина кроется в еще неизвестном систематическом эффекте. Сегодня данных недостаточно, чтобы выбрать победителя.

Ближайшие годы должны резко усилить проверку. DESI продолжает собирать данные, Rubin Observatory даст огромное количество новых транзиентов, Euclid картографирует крупномасштабную структуру Вселенной, а каталоги сверхновых будут расширяться и очищаться.

Если независимые наблюдения сойдутся к одному и тому же результату, это может стать одним из крупнейших изменений в фундаментальной космологии за десятилетия. Если сигнал исчезнет, это тоже будет важный урок о том, насколько близко современные измерения подошли к границе, где крошечная систематическая ошибка способна выглядеть как новая физика.

Поэтому сегодня не стоит писать, что человечество уже «раскрыло тайну темной энергии». Но вполне корректно сказать иначе: одна из самых интересных аномалий современной космологии стала еще немного труднее для игнорирования.