Загадка темной вселенной: связь между темной энергией и материей

Загадка темной вселенной: связь между темной энергией и материей

Для тех, кто воспринимает окружающий мир как мрачное место, Вселенная предлагает мало утешения. Согласно текущим оценкам, примерно 70% состава космоса приходится на темную энергию — неизвестную силу, которая заставляет пространство расширяться. Еще 25% составляет темная материя, таинственный материал, удерживающий галактики вместе. С семантической точки зрения эти субстанции правильнее называть не «темными», а невидимыми: они не излучают, не отражают и не поглощают свет, из-за чего прямое наблюдение за ними до сих пор считается невозможным.

Традиционно темная энергия и темная материя рассматриваются как отдельные сущности, связанные лишь своей неуловимостью. Однако недавние астрономические наблюдения подтолкнули ученых к изучению менее популярной гипотезы: эти две составляющие могут быть физически взаимосвязаны.

Изменчивая природа темной энергии

В 2024 году исследовательская группа DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) обнаружила свидетельства того, что сила темной энергии, которую иногда называют «космологической постоянной», утратила свою предполагаемую неизменность. Исследование 2025 года, основанное на объеме данных, превышающем предыдущий более чем в два раза, подтвердило: темная энергия меняется со временем. Результаты указывают на то, что после достижения своего максимума около 2 миллиардов лет назад темная энергия могла начать ослабевать. В то же время данные предполагают, что в более раннюю эпоху темная энергия могла усиливаться, что кажется противоречащим закону сохранения энергии.

Исследователи описывают это состояние как переход темной энергии в «фантомный режим», сравнивая ситуацию с мячом, который катится вверх по склону. Это возможно, но только при условии воздействия сил, отличных от гравитации. Все больше теоретиков склоняются к тому, что на темную энергию влияют её связи с темной материей.

«Хотя ученые исходили из предположения, что темная энергия и темная материя никак не связаны друг с другом, можно представить случай, когда одна влияет на другую. Неудивительно, если они являются проявлениями своего рода единой теории темной вселенной», — отмечает Тим Тейт, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Ирвайне.

Модели взаимодействия в темном секторе

Идея взаимодействия темной энергии и темной материи не нова. Еще в 2005 году физик из Пенсильванского университета Джастин Хури задался вопросом: может ли существовать форма темной энергии, плотность которой увеличивается со временем? Он и его соавторы выяснили, что если темная энергия и темная материя способны влиять друг на друга, они могут порождать эффекты, которые выглядят как фантомное поведение, таковым не являясь. По словам Хури, это самый естественный и простой способ достичь такого результата.

Спустя два десятилетия, после открытия DESI, Хури вместе с коллегами из Пенсильвании Мэн-Сян Линем и Марком Тродденом разработал модель темных взаимодействий, основанную на аналоге квантовой хромодинамики для темного сектора — фундаментальной теории физики элементарных частиц. В этой модели плотность энергии темной энергии и масса темной материи изменяются согласованно.

Схожую концепцию предлагает исследование, опубликованное в январе в журнале Physical Review D. Согласно этой модели, в прошлом темная материя могла передать небольшую часть своей энергии темной энергии. Эльза Тейшейра, космолог из Университета Монпелье во Франции, поясняет, что темная материя служит основным тормозом расширения Вселенной, поэтому ослабление этого тормоза привело к ускорению расширения космоса.

Дэвид Андрио, физик из Французского национального центра научных исследований (CNRS), представивший собственную модель связанных темных субстанций в мае 2025 года, подчеркивает, что фантомное поведение является результатом особенностей учета данных: любое изменение массы темной материи автоматически переносится в категорию темной энергии. С этим согласен физик из Гарвардского университета Камран Вафа: «Представление о том, что можно вычислить темную энергию независимо от темной материи, неверно. Это допущение, часто используемое космологами и группой DESI, привело к физически неприемлемому фантомному поведению».

Помимо данных DESI, существуют и другие аргументы в пользу такой связи. Работа Тейшейры и её коллег демонстрирует, что допущение взаимодействия может решить одну из самых упорных проблем космологии — хаббловское напряжение. Речь идет о текущей скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла, значение которой можно измерить, используя свет ранней Вселенной, дающий представление о том, как космос рос в самом начале своего пути.

Космологический кризис и «темное измерение»

Скорость расширения Вселенной также можно измерить с помощью более новых явлений, таких как взрывы звезд, называемые сверхновыми, которые позволяют увидеть, как Вселенная растет в наше время. Согласно стандартной космологической модели, скорость этого расширения должна быть одинаковой, независимо от метода измерения. Однако в последние годы ученые обнаружили, что скорость расширения ранней Вселенной и скорость расширения более современной Вселенной различаются примерно на 9 процентов.

Это расхождение, или «напряжение», по словам Тейшейры и ее соавторов, «спровоцировало жаркие споры в космологическом сообществе о том, вызвано ли это различие систематическими ошибками или же оно является сигналом новой физики». Их модель предполагает, что в мире, где темная энергия и темная материя взаимодействуют, то, что казалось кризисом из-за разницы в скоростях расширения, становится ожидаемым явлением.

Темное измерение и теория струн

Если темная энергия и темная материя действительно взаимодействуют, это может означать, что у них общее происхождение, отмечает Хури. Текущие исследования в области теории струн — идеи о том, что Вселенная на самом фундаментальном уровне состоит из вибрирующих струн — предлагают способ связи этих концепций. В 2019 году Вафа с двумя коллегами, опираясь на положение теории струн о том, что темная энергия естественным образом меняется, пришли к выводу, что масса частиц темной материи также может со временем варьироваться.

Это привело их в 2022 году к гипотезе о том, что темная материя и темная энергия могут быть связаны с так называемым «темным измерением». Теория струн постулирует существование шести или семи дополнительных измерений в дополнение к нашим трем пространственным и одному временному. Считается, что все эти измерения максимально малы — близки к планковской шкале (10-35 метра), но исследователи предположили, что темное измерение может быть значительно больше остальных — порядка микрона (10-6 метра).

Гравитоны, теоретические частицы, переносящие гравитационное взаимодействие, могли бы проникать в это увеличенное темное измерение. Если бы это произошло, они бы приобретали массу и становились так называемыми темными гравитонами. Эти массивные гравитоны находились бы в темном измерении, но их гравитационные эффекты могли бы ощущаться в других измерениях, позволяя им выполнять роль, которую обычно приписывают темной материи. «В этом сценарии существует очень естественная связь между темной энергией и темной материей», — поясняет физик из Чикагского университета Жорж Обид. Изменения в размерах темного измерения затрагивали бы как темную энергию, так и темную материю.

Проверка теории на практике

В статье, опубликованной в июле 2025 года, Обид и Вафа вместе с Алеком Бедроя из Принстона и Дэвидом Ву из Гарварда установили, что сценарий, предложенный в 2019 году, согласуется с данными DESI. Их модель предсказывает, что интенсивность темной энергии и масса темной материи будут со временем уменьшаться, а скорость изменения темной энергии будет пропорциональна ее плотности энергии. Поскольку астрофизические измерения показывают, что плотность энергии темной энергии чрезвычайно мала, «она не будет меняться быстро», говорит Вафа. «Неудивительно, что мы не видели этого до сих пор», — добавляет он, объясняя это тем, что скорость изменений крайне мала. «Нам пришлось ждать целый возраст Вселенной, чтобы обнаружить нечто настолько незначительное». Если темная материя связана с темной энергией, частицы темной материи могут взаимодействовать друг с другом посредством новой дальнодействующей силы, отличной от гравитации.

Хорошая новость, по словам Обида, заключается в том, что «могут существовать астрофизические способы проверки этого». Так совпало, что двое физиков — Марк Камионковски (сейчас в Университете Джонса Хопкинса) и Майкл Кесден (сейчас в Техасском университете в Далласе) — уже рассматривали один из таких тестов. В статье 2006 года они смоделировали последовательность событий, при которой две галактики сближаются и гравитация одной воздействует на другую. Если темная материя обладает более сильным гравитационным притяжением к другой темной материи, чем к обычной, за одной из галактик сформируется особый «приливный хвост» — вытянутый поток звезд, газа и пыли.

Кесден и Камионковски искали этот эффект, но не обнаружили его, что позволило им установить верхний предел возможной силы этой дополнительной притягательной силы. Этот верхний предел оказался примерно в 20 раз больше значения, предложенного командой Вафы, поэтому предсказанная величина полностью вписалась в наблюдательный порог. «Интересно, что сейчас мы находим связи между той довольно абстрактной работой и наблюдательными и экспериментальными исследованиями», — отмечает Камионковски.

Тот факт, что предсказание, основанное на расчетах теории струн, в общих чертах совпало с астрофизическими данными, не подтверждает истинность этих «струнных» моделей. Однако любое соответствие теории струн эксперименту радует Вафу, который последние четыре десятилетия пытался вывести эту теорию из сугубо концептуальной области на уровень создания проверяемых предсказаний. Обид, один из бывших аспирантов Вафы, движим той же целью.

Поиск ответов в теоретической физике

Понимание темной энергии и темной материи, а также потенциальной взаимосвязи между ними — это сложнейшая научная задача, утверждает Обиед. По его мнению, крайне полезно подходить к решению этого вопроса с различных направлений: будь то наблюдательная космология, физика элементарных частиц или теория струн.

«Именно так люди должны заниматься наукой», — отмечает Обиед. Он подчеркивает, что задача физиков-теоретиков заключается в исследовании всех возможных вариантов и представлении полного спектра существующих гипотез для дальнейшего обсуждения.

В конечном итоге именно полученные данные помогут нам сделать окончательный выбор в пользу той или иной модели.