Про темну енергію замовіть слово

Олег Верходанов

Це класно, коли люди вміють читати. Особливо англійською мовою. Ще більше радує, що любителі астрономії читають статті з астрофізики і активно їх обговорюють. Інша справа, що велика маса обговорюваних популярних статей, написана або за анотаціями, або містить надміру посилені висновки. В останній рік цілий напрямок астрофізики — спостережна космологія — буквально вирує від революційних новин: нобелівський лауреат Адам Рісс з колегами в декількох статтях стверджує, що Всесвіт розширюється швидше, ніж передбачається в узгодженій космологічній моделі (див., наприклад, в [1]), тобто щільність темної енергії вища, ніж очікувалася; відомі космологи Джо Сілк і Алесандро Мельхіорі, а також Елеонора Ді Валентина, яка є першим автором, у своїй роботі в Nature Astronomy [2] заявляють, що з даних космічної обсерваторії Planck випливає, що Всесвіт має позитивну кривизну. І ось нарешті з’являється робота корейських колег [3], де за результатами аналізу даних по SN Ia і хімічного складу їх батьківських галактик робиться висновок, що еволюційними властивостями галактики і спалахують в ній SN Ia можна пояснити ефект, інтерпретований як прискорюється розширення Всесвіту в діаграмі Хаббла в області червоних зміщень z > 0,7. Виявлення цього ефекту і призвело до відкриття нового компонента щільності Всесвіту, названого темною енергією. Червоне зміщення z (тобто зміщення спектрів випромінювання об’єктів у червоний бік) з величиною близько 0,7 відповідає етапу переходу приблизно 6 млрд років тому від епохи домінування речовини до епохи домінування темної енергії (коли z < 0,7). Більшість космологів про проблеми, що виникають, мовчать або займаються (що швидше за все) іншими справами. Так що ж взагалі відбувається? На жаль, завжди є опція, яка будь-якому зацікавленому читачеві допоможе розібратися в проблемі: треба читати оригінальні тексти. Але також зрозуміло, що обивателю простіше їх не читати, а дізнаватися про те, що відбувається з популярних видань. Тоді почнемо розбиратися.

Цей текст можна розглядати як продовження історії, розпочатої в «ТрВ-Наука» минулого року [4]. Але спочатку треба сказати кілька загальних слів про термінологію. Наднові типу Ia (позначаються SN Ia) — це спалахнули об’єкти в результаті вибуху одного з типів зірок, білого карлика, в подвійній зірковій системі. Білий карлик — це щільний компактний об’єкт, який є фінальною стадією не дуже масивної зірки. Очікується, що Сонце стане білим карликом через кілька мільярдів років. Білий карлик має фіксовану верхню межу маси (1,44 маси Сонця), звану чандрасекарівською межею, тому якщо на нього стікає речовина з сусідньої зірки в подвійній зірковій системі, то білий карлик втрачає стійкість і вибухає повністю або (за розрахунками в деяких моделях) колапсує в нейтронну зірку, що також супроводжується вибухом відомої потужності. Крива блиску (тобто зміна яскравості з часом, а саме її загасання) у таких об’єктів добре вивчена. І навіть якщо не вдається встигнути зафіксувати максимум блиску SN Ia, то по подальшому спаду яскравості все одно вдається відкалібрувати криву і визначити відстань (точніше, модуль відстані) до цього об’єкта. У космологічних дослідженнях об’єкти SN Ia розглядаються як стандартні свічки, тобто об’єкти з відомою яскравістю. Ці об’єкти дуже зручні в космології, тому що їх яскравість порівнянна з яскравістю батьківських галактик і вони видні на великих віддаленнях від нас. Щоб використовувати наднові Ia як стандартні свічки, необхідно було виконати процедуру незалежної прив’язки відстаней, для якої використовуються так звані сходи відстаней (див. [5]), що включає метод тригонометричних паралаксів — визначення відстаней до близьких зірок тригонометричним способом (точний метод) і непрямі: прив’язку по змінних зірках цефеїдам по діаграмі «світність — період», по діаграмі Хаббла «червоне зміщення — зоряна величина», як для наднових Ia. Також є безліч інших методів. Сходи відстаней дозволяють переходити у вимірюваннях відстаней від близьких об’єктів до далеких.

Далі. Кривизна Всесвіту — особлива топологічна характеристика, що дозволяє висловити майбутнє Всесвіту через його щільність. Всесвіт добре описується як тривимірна гіперсфера дуже великих розмірів, і ми спостерігаємо, мабуть, тільки його мізерну частину радіусом приблизно 45 млрд світлових років. Якщо щільність Всесвіту критична, всесвіт має позитивну кривизну, тобто замкнута, і в цьому випадку в майбутньому розширення може змінитися стисненням. «Може» — тому що можуть існувати гіпотетичні механізми зміни її фізичних і космологічних властивостей в майбутньому. Якщо ж щільність Всесвіту менша за критичну, то її кривизна негативна, і всесвіт буде розширюватися з прискоренням. Якщо щільність Всесвіту дорівнює критичному, то всесвіт називають плоским. І вона буде описуватися євклідовою моделлю світу з постійним розширенням. Євклідова модель — це фізично однорідний (з однаковою щільністю), ізотропний (статистично однаковий за всіма напрямками), невискривлений і нееволюціонуючий світ. У геометрії плоским називають світ, в якому сума кутів будь-якого трикутника дорівнює 180 °. Світ при цьому не зобов’язаний бути почесним. Критична щільність Всесвіту — приблизно 5,5 атомів водню на кубічний метр в еквіваленті речовини. Це така щільність, яка відповідає всій енергії, перерахованій у кількість видимої речовини у вигляді атомів водню. Але у Всесвіті багато різних компонент енергії. Крім видимої речовини, це темна матерія, темна енергія, електромагнітне випромінювання, нейтрино, гравітаційні хвилі, енергія кривизни та ін. Астрофізики вимірюють компоненти енергії по відношенню до критичної щільності. Тому кажуть, що якщо відносна щільність Всесвіту _Ω0 дорівнює одиниці, то наш світ плоский. Щільність енергії просторової кривизни Всесвіту дорівнює.

За даними космічної обсерваторії Planck 2018 року, відносна щільність енергії кривизни. близький нулю і Всесвіт з високою точністю плоский. Зазначимо ще, що, незважаючи на те що світ плоский, Всесвіт розширюється з прискоренням через особливі властивості темної енергії, яка має негативний тиск (див. цікаве обговорення властивостей темної енергії [5] і серйозний огляд [6]).

Повернемося тепер до революційно лунаючих заяв, які сприймаються як критика стандартної космологічної моделі. Стандартною космологічною моделлю називається космологічна модель ^ CDM, що описує еволюцію Всесвіту, з домінуванням темної енергії (в найпростішому випадку в рівнянні загальної теорії відносності, описуваної ^-членом) і холодної темної матерії (Cold Dark Matter — CDM) в справжню епоху (див. також [4]). За даними Planck 2018 року, компонентний склад енергобалансу у відносних щільностях Всесвіту такий: Ω_Λ = ~0,69, Ω_CDM ~0,26, Ω_b = ~0,05. Останній параметр _{^ b} — щільність видимої (баріонної) матерії. Всі інші компоненти енергобалансу в справжню епоху — лише мала дещиця від перерахованих. Ми живемо в епоху домінування темної енергії, яка, як вже згадувалося, почалася приблизно 6 млрд років тому (що відповідає червоному зміщенню z ­ 0,7), при тому що вік Всесвіту за останніми даними — 13,8 млрд років.

Перейдемо до прес-релізу Університету Йонсе (Південна Корея) від 6 січня 2020 року [7] і підкреслимо деякі моменти в цьому повідомленні. Автори виявили:

«… Значущу кореляцію між світністю наднових і віком зіркового населення на рівні достовірності 99,5%. Це [показав] самий прямий і суворий тест, який коли-небудь проводився для еволюції SN Ia. Оскільки прабатьки в батьківських галактиках стають молодшими зі зростанням червоного зміщення (при погляді назад за часом), цей результат вказує на серйозний систематичний байєс (зсув у розподілі) зі зростанням червоного зміщення в космології наднових. Якщо застосувати ці величини, то виявлена еволюція світності виходить настільки значущою, що ставить під сумнів саме існування темної енергії. При врахуванні належним чином еволюції світності наднових команда виявила, що доказ існування темної енергії просто йде «.

І ще.

«Інші космологічні способи перевірки, такі як космічний мікрохвильовий фон (CMB) і баріонні акустичні коливання (BAO), також, як відомо, дають непрямі і непрямі докази темної енергії; але нещодавно були висунуті припущення, що CMB, за даними Planck, більш не підтримує узгоджену космологічну модель, що може вимагати нової фізики (Di Valentino, Melchiorri, & Silk 2019). Деякі дослідники також показали, що BAO та інші космологічні тести при малих червоних зміщеннях можуть бути сумісні з Всесвіту без темної енергії (див., наприклад, Tutusaus et al. 2017). У цьому відношенні справжній результат, що показує еволюцію світності, що мімікрує під темну енергію в космології за надновими, надзвичайно важливий і дуже своєчасний «.

І також відзначимо закінчення того ж тексту:

«Ця робота прийнята для публікації в Astrophysical Journal і буде опублікована в січневому випуску в 2020 року».

Далі йдемо за посиланням на відповідну роботу [3] і… жодних таких надзвичайних висновків у ній не знаходимо.

Якщо ми подивимося на графік (рис. 1), який обговорювався серед наукових новин як доказ відсутності темної енергії, то побачимо, що за вимірами 51-ї спеціально відібраної галактики, дані по яких наведені в оригінальній статті, спостерігається зв’язок між світністю наднових і віком Всесвіту, визначеним червоним зміщенням z. Тут, звичайно, важливий момент — число (яке, насправді, дуже мало) і правило відбору галактик.

Ріс. 1. Діаграма «Нев» язки Хаббла — червоне зміщення «, що демонструє еволюцію світності в космології наднових, яка передбачається в розглянутому житті [3]. Нев’язки в діаграмі Хаббла обчислюються в рамках космологічної моделі без ^ (_{^ m} = 0,27, _{^ ^} = 0,00; чорна пунктирна лінія). Червона і зелена лінії — два варіанти моделі еволюції наднових, запропонованих авторами статті [3]. Блакитні кружечки — це біновані (усереднені в деякому діапазоні червоних зміщень) дані по наднових з роботи Betoule et al. (2014). За висновками авторів, порівняння еволюційних кривих з даними по наднових показує, що еволюція світності може імітувати значну частку нев’язок в діаграмі Хаббла, використаних при відкритті і висновку про існування темної енергії (див. чорну суцільну лінію)

Рис, 2. Діаграма Хаббла («модуль відстані — червоне зміщення»), побудована за результатами досліджень двох груп, що відкрили темну енергію. Верхній графік — результати вимірювань, нижній графік — різниця між даними верхнього графіка і очікуваними вимірами в простому євклідовому світі без темної енергії

Природне питання: як роботу з еволюційних даних з критикою космологічної моделі, заснованої на великовагових даних Planck, взяли в ApJ? І тут варто сказати, що наведені в роботі дані вимірювань дійсно хороші і висновок про зв’язок світності деяких наднових з віком галактик теж цікавий. Автори використовували ряд кореляцій, виявлених у роботах інших груп, наприклад, що об’єкти SNe Ia в менш масивних галактиках (з масами, меншими разів на 10) на ауд 0,08 зв. величини слабші, ніж спалахнули в більш масивних галактиках; що менш масивні (теж на порядок) батьківські галактики приблизно на 2 млрд років молодші, ніж більш масивні галактики, а також що яскравість наднових типу Ia корелює з морфологією батьківської галактики і темпом зіроутворення в ній. Ці факти можуть передбачати можливу кореляцію з властивостями зоряного населення. Що і вивчалося. Вимірювання нові, результати цікаві. Тому і прийняли в ApJ. Але поламати поточну космологічну модель, на мій погляд, з такою малою кількістю точок (у таблиці дані для 51 галактики з z < 0,1) не вдається. Зазначимо, що боротьба за точність вимірювання внеску темної енергії по SN Ia зараз йде, коли число об'єктів більше 1,5 тис. і об'єктів з z > 0,7 кілька десятків (див. дані груп дослідників SN Ia на рис. 2). І природно, для такої малої вибірки об’єктів заява про закриття темної енергії в Astrophysical Journal і критика інших методів звучали б занадто голосно, і в оригінальній статті автори без неї обійшлися. Навіщо вони це роблять в прес-релізі? Процитую Бориса Штерна: «Спрага діяльності тощо — цілком нормальні рушійні мотиви» [8]. Зазначимо, як приклад, ще один момент, пов’язаний з іншим малюнком (див.:[3]), де демонструється залежність віку батьківської галактики від відхилення (нев’язки) на діаграмі Хаббла від прогнозованої кривої в стандартній космологічній моделі (рис. 3). Розкид даних, які використовуються для регресії, великий (більше половини зоряної величини). І нахили розрахованих регресійних кривих різні для різних моделей, що говорить про відмінність методів оцінки віку і не дає однозначно вибрати оцінку віку батьківської галактики. А саме ця оцінка в подальшому використовується в підгонках при «скасуванні» темної енергії.

Рис, 3. Кореляція між віком зіркового населення батьківської галактики і нев’язками в діаграмі Хаббла для SN Ia. Вік зоряного населення за даними численних моделей розподілу енергії в спектрі YEPS, TMJ11, і S07 відповідно показаний на різних картинках. Забраковані галактики раннього типу, виключені з фінальної вибірки, відзначені білими гуртками. Суцільною лінією показана регресійна залежність

Повернемося до самого прес-релізу — там ще є цікаві моменти.

Ось два твердження, наприклад: 1) реліктове випромінювання (або космічний мікрохвильовий фон) дає лише непрямі непрямі докази існування темної енергії; і 2) CMB, як припускають зараз, за даними Planck, більше не підтримує узгоджену космологічну модель.

Про перше зауваження я докладно говорив [4]. Повторю тут лише тезово. Немає по-справжньому прямих вимірювань космологічних параметрів. Всі експерименти проходять через набір припущень, частину з яких вдається перевірити легко, а частину немає. При цьому використання даних по реліктовому випромінюванню — найнадійніший спосіб оцінки космологічних властивостей серед різних спостережних експериментів. Повертаючись до статті [3], можна, наприклад, сказати: щоб зробити висновок про еволюційні властивості батьківських галактик, використаних для пошуку зв’язку з яскравістю наднових, автори повинні були виміряти вік цих галактик. Для цього слід було застосувати моделі розподілу енергії в спектрах галактик (синтетичні спектри), в які вихідно треба закласти властивості про розподіл зірок по масах в галактиці, вміст газу, швидкість зіроутворення та інші параметри, а також розрахувати їх спільну еволюцію на різні космологічні епохи. Автори використовують дані про синтетичні спектри з трьох різних моделей, результати застосування яких трохи відрізняються. І якщо далі детально розглядати побудову теорії, альтернативної моделі темної енергії, то потрібно звернути увагу на те, як взагалі оцінюється світність стандартної свічки типу SN Ia, і тримати в голові не тільки потенційну невпевненість в точності вимірювань відстаней до цефеїд за даними супутника GAIA, де малі поправки призводять до накопичених зрушень в оцінках світності, і нетривіальність вибухів Sa Sn (Див. обговорення [4]), але несподівано відкрилася і виглядає катастрофічно проблему використання цефеїду як стандартних свічок [9]. Весь цей набір складнощів поки відсуває на задній план твердження про можливість прямих вимірювань еволюційних параметрів [3] і висновків про значущі проблеми в спостереженнях існування темної енергії в прес-релізі [7]. У той же час відзначимо ще раз важливість даних по реліктовому фону. Швидкість розширення Всесвіту і пов’язаний з нею параметр темної енергії відбилися в даних CMB в декількох космологічних епохах в наступних факторах РІ: в характерному масштабі сфери останнього розсіювання, в спостережуваних кутових розмірах неоднорідностей CMB в розподілі реліктового фону (чим швидше зараз розширюється Всесвіт, тим менше їх спостережуваний кутовий розмір) і навіть в температурі космічного мікрохвильового фонового випромінювання (чим більше швидкість розширення, тим менше температура РІ). Темна енергія також параметрично входить в опис ефекту Сакса — Вольфа, який використовується при розрахунках кутового спектру потужності РІ (коли фотон CMB змінює свою частоту при проходженні через область з мінливим за космологічний час гравітаційним потенціалом, наприклад при зростанні скупчень галактик) або розширення войдів. Повнота даних Planck і колосальний обсяг вимірювань у поєднанні з даними по баріонних осциляціях в огляді BOSS створюють фундамент, який складно поки зруйнувати, в тому числі і при оцінці внеску темної енергії.

Посилання в прес-релізі на те, що CMB, за даними Planck, більше не підтримує узгоджену космологічну модель, теж не зовсім коректне. Якщо зупинитися тільки на анотації [2], на репутації журналу, в якому вона була опублікована, і на відомих іменах співавторів, на додачу на назві статті, на тому, що висновки випливають з даних Planck, то результати здаються гучними. І наведений результат такий: Всесвіт має позитивну кривизну (0,007 > ^ K > ‑ 0,095) на рівні достовірності 99%. Це значення отримано при звільненні параметра ^ K, який зазвичай пов’язаний з параметрами щільності і визначається тільки через них. При його незалежному визначенні автори використовували також ефект аномального лінзування CMB. Як дані Planck при цьому використовується вимірений кутовий спектр потужності. У цілому підхід дослідження цього параметра цікавий, хоча і не застосовується в стандартних методах визначення параметрів. І щоб не повторюватися, що саме зроблено там не так гладко, як повинно бути при гучних заявах, рекомендую подивитися розбір статті Михайлом Івановим [10]. Ще цікаво поглянути у статті [2] на значення інших космологічних параметрів, що визначаються при застосуванні такої методики: вони різко суперечать як точним вимірюванням обсерваторії Planck, так і один одному при використанні різних наборів даних.

Ось що ми бачимо в публікації: застосування запропонованої методики до даних Planck дає оцінку значення постійної Хаббла H 0 = 54 ‑ 4,0 + 3,3 км/с/Мпк з достовірністю 68%, а для [комбінованого] набору даних BAO + SN-Ia + BBN, що _H0 = 79,6 ^ 6,8 км/с/Мпк на рівні достовірності 68%, тобто вони [ці оцінки] несумісні на рівні 3,4 стандартних відхилення. Зазначимо, що узгоджені _{вимірювання} H0 незалежними методами, включаючи вимірювання рівня неоднорідностей РІ обсерваторією Planck, дають величин_у H0 = 67,66 ^ 0,42 км/с/Мпк).

Висновок про кризу космологічної моделі ^ CDM робити поки рано. А чому опублікували тоді цю роботу в Nature Astronomy? Відповіді немає. Ну хіба що автори — відомі сильні астрофізики.

Отже, що ми бачимо. Для малого набору точок при багатоступеневому складному аналізі, тобто в системі даних, описаних моделлю з безліччю параметрів, з відсутністю вимірювань в найбільш істотну космологічну епоху (z > 0,7), що вимагає при фіксації вкладу темної енергії, і наступних з вимірювань оцінок параметрів еволюції галактик будується модель еволюціонуючої кривої блиску SN Ia залежно від z. Прямого висновку про закриття темної енергії в оригінальній статті немає, крім припущення про можливу імітацію ефекту темної енергії. А наведений у прес-релізі суворий висновок не може бути зроблений за даними оригінальної статті через невелике число об’єктів і нечіткість оцінок, що використовують кілька етапів в еволюційному моделюванні. В принципі, на цьому питання можна і закрити. Однак, на мою думку, будь-яка критика усталеної моделі завжди корисна. А раптом що-небудь вискочить цікаве. Інша справа, що часто питання про «революційні» сенсації кожен може досліджувати сам, тільки лише прочитавши оригінальну статтю. І коли розмова йде про існування найбільш загадкової компоненти Всесвіту — темної енергії, що дає максимальний внесок у вселенський енергобаланс, то, як у фільмі «Зоряні війни», можна подумати, що війна космологічна почалася. Але ні. Рівновагу сучасної космологічної моделі ще не порушено. Поки не порушено.

Література1

. Riess A. G. et al. Milky Way Cepheid Standards for Measuring Cosmic Distances and Application to Gaia DR2: Implications for the Hubble Constant // Astrophys. J., V. 861, № 2, arXiv: 1804.10655

2. Valentino E. Di, Melchiorri A., Silk J. Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology // Nature Astronomy (2019), arXiv: 1911.02087.

3. Kang Y., Lee Y.-W., Kim Y.-L., Chung C., Ree C. H. Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology // Astrophysical Journal, accepted.

4. Верходанов О.В. Чи є проблеми з узгодженням швидкості розширення Всесвіту ?//ТрВ-Наука. № 280, с. 4-5, 04.06.2019.5

. Рубаков В.А. Темна енергія у Всесвіті//ТрВ-Наука, № 258, с. 4-5, 17.07.2018.6.

Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темна енергія: міфи та реальність//УФН. 178, 301–308 (2008).7. Yo

nsei University, January 6, 2020. New evidence shows that the key assumption made in the discovery of dark energy is in error.8. «Ф

ейсбук»: Штерн Б. 7.01.2020.9. Li

n W., Mack K. J., and Hou L. Investigating the Hubble Constant Tension — Two Numbers in the Standard Cosmological Model // arXiv: 1910.0297810. Іванов

М. Астрономи довели, що Всесвіт замкнутий. Що? Ні!