В края на ХХ век физиката се сблъска с откритие, което напълно преобрази нашите представи за космоса. През 1998 г. две независими групи астрономи изследваха далечни звездни избухвания и стигнаха до заключението, че Вселената не просто се разширява след Големия взрив, а го прави с все по-нарастваща скорост. За да обяснят каква сила дърпа галактиките една от друга, учените трябваше да въведат във физиката ново понятие — Тъмната енергия. Според съвременните оценки на нея се падат почти 70% от цялата маса и енергия на Вселената. За това откритие през 2011 г. беше присъдена Нобелова награда, а хипотезата за ускореното разширяване се превърна в основа на съвременната космология.
Въпреки това международна група физици от Оксфордския университет и Института за фундаментални изследвания „Тата“ в Мумбай публикува изследване, което поставя под съмнение самия факт за съществуването на тъмната енергия. Работата, приета за публикуване в научното списание „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“, показва: ако се отчетат правилно еволюцията на звездите и собственото движение на нашата Галактика, ще се окаже, че Вселената не се ускорява. Напротив, нейното разширяване постепенно се забавя под въздействието на обичайната гравитация.
Концептуалният модел за разширяването на пространство-времето. Нови данни показват, че гравитацията във възлите на тази мрежа забавя разпръскването на галактиките, което изключва необходимостта от тъмната енергия
По какъв начин астрономите измерват космоса
За да разберем къде точно може да се е промъкнала грешката, трябва да разберем как учените измерват разстоянията до далечните обекти. В ежедневието ние преценяваме отдалечеността на източника на светлина според видимата му яркост: колкото по-далеч е обектът, толкова по-тъмен изглежда. В астрономията този принцип действа по същия начин, но с едно важно уточнение — изследователите трябва да знаят точно мощността на източника.
За тази цел космолозите използват така наречените термоядрени свръхнови от тип Ia. Тези изключително мощни експлозии възникват в двойните звездни системи, където единият от участниците е бяло джудже. Това е плътен остатък от умряла звезда, който постепенно привлича към себе си вещество от съседната звезда. Когато масата на бялото джудже достигне строго определена физична граница (т.нар. граница на Чандрасекар, равна на приблизително 1,44 маси на Слънцето), звездата губи стабилност и мигновено избухва.
Тъй като масата на експлодиращия обект винаги е една и съща, физиците дълго време смятаха, че първоначалната яркост на всички такива свръхнови също е еднаква. Те се превърнаха в основен измервателен инструмент на космологията.
Схемата на измерванията изглежда по следния начин: Астрономите регистрират избухването на свръхнова в далечна галактика. Сравняват нейната видима яркост с теоретично изчислената начална мощност и изчисляват разстоянието до нея. Измерват червеното отместване — степента, в която светлинната вълна се е удължила по пътя си към Земята поради разширяването на пространството. Този параметър показва скоростта, с която галактиката се отдалечава. Сравняват разстоянието и скоростта, за да разберат как се е разширявала Вселената през различните епохи.През 1998 г. учените откриха, че далечните свръхнови изглеждат по-тъмни, отколкото би трябвало да бъдат според обичайните изчисления. Най-логичното обяснение тогава изглеждаше, че светлината е трябвало да измине по-голямо разстояние, защото в някакъв момент от историята Вселената е започнала да се разширява по-бързо. Така възникна необходимостта от тъмна енергия.
Зависимост на видимата яркост на свръхновите (в B-диапазона) от червеното отместване за каталога Pantheon+ SNe Ia. Черните точки (m_B) показават изходните данни, без да се отчита възрастта на предшестващите звезди. Червените точки (m*_B) са данни, коригирани с оглед на възрастта на предшестващите звезди съгласно методологията
Основният проблем: звездите от миналото са били различни
Фундаменталното предположение, че всички свръхнови от тип Ia колапсират с еднаква яркост, остана непокътнато в продължение на повече от двадесет години. В нея обаче не беше отчетен един важен фактор: когато гледаме обект, намиращ се на няколко милиарда светлинни години от Земята, ние го виждаме такъв, какъвто е бил преди милиарди години.
Светлината от далечните галактики е пътувала към нас през времето. А това означава, че наблюдаваме Вселената в епохата на нейната младост, когато съставът и възрастта на звездите са се различавали коренно от днешните.
Серия от неотдавнашни астрономически изследвания под ръководството на южнокорейския астрофизик Йон-Ву Ли показва, че яркостта на свръхновата от тип Ia зависи пряко от възрастта на предшестващата я звезда. Младите звездни популации при експлозия дават систематично по-слаби изблици, отколкото старите. С увеличаването на възрастта на звездната популация яркостта на експлозията постепенно нараства.
Това създава систематична грешка в измерванията: В далечното минало галактиките са се състояли от по-млади звезди. Свръхновите, които са избухвали там, първоначално са били по-тъмни от подобните взривове в съвременните галактики, намиращи се в близост до нас. Без да знаят за тази особеност, астрономите са приели естествената „слабост“ на древните взривове за резултат от това, че обектите са отлетели твърде далеч.Когато физиците приписаха разликата в яркостта на допълнителното разстояние, възникна илюзията, че пространството между галактиките се разтяга с ускорение. В действителност обаче светлината от далечните свръхнови е по-слаба не защото Вселената се ускорява, а защото самите избухвания на древните звезди са били физически по-слаби.
Локалният дрейф: ние не стоим на едно място
Вторият проблем, на който обръщат внимание авторите на новото проучване, е свързан с движението на самата Земя и на нашата галактика.
Класическата космология се основава на принципа, че Вселената в големи мащаби е еднаква във всички посоки и няма ясно очертан център. За да измерят чистото разширяване на пространството, астрономите се опитват да преизчислят всички наблюдавани скорости в така наречената „космическа система на отчитане“, за която приемат микровълновото фоново излъчване (ехото от Големия взрив).
Млечният път обаче не стои на едно място. Нашата галактика, заедно с цялото локално купно, се движи през космоса със скорост от около 600 km/s в посока към един гигантски куп от маса.
Екипът под ръководството на Субир Саркар от Оксфорд вече няколко години доказва, че стандартната процедура за привеждане на скоростите към реликтовия фон съдържа математическа грешка. Разпределението на материята във Вселената не е идеално равномерно. Поради това нашето собствено движение създава посока, в която разширяването изглежда по-бързо, отколкото в другите.
Анализирайки данните за движението на галактиките, учените установиха, че ефектът на „ускорението“ всъщност се наблюдава само в едната посока — по линията на нашия собствен космически дрейф. На големи разстояния този ефект отслабва. Това означава, че наблюдаваното ускорение не е глобално свойство на цялата Вселена, а локално явление, предизвикано от неравномерното разпределение на масата в нашата част от космоса.
Какво показва новото преизчисление на данните
В новата си работа Анимеш Сах, Мохамед Рамиз и Субир Саркар съчетаха и двата фактора: корекция според възрастта на звездите и отчитане на локалното движение на Галактиката. Те са използвали Pantheon+ — най-пълният и проверен към днешна дата каталог, съдържащ данни за повече от 1700 свръхнови от тип Ia.
Изследователите са приложили математическо моделиране, за да премахнат натрупаните грешки от наблюдаваните данни.
Резултатите от преизчислението показаха: Ефектът от движението остана локален. Отчитането на движението на нашата Галактика потвърди, че асиметрията на разширяването наистина съществува само в близост до нас и изчезва на големи разстояния. Ускорението на Вселената изчезна. Веднага щом в изчисленията беше въведена корекция за възрастта на предшестващите звезди (корекцията възлиза на приблизително 0,03 звездни величини на всеки милиард години възраст), от математическите уравнения напълно изчезва компонентът, отговорен за общото ускорение на Вселената.Основният показател, описващ динамиката на космоса — параметърът на забавянето, променя знака си. В старите изчисления, без да се отчита възрастта на звездите, този параметър беше отрицателен, което математически означаваше ускорение. След въвеждането на всички необходими физични корекции той стана положителен.
Положителната стойност на параметъра на забавянето означава само едно: Вселената се разширява, но скоростта на това разширяване с времето намалява. Гравитационното привличане на цялата материя в космоса постепенно забавя разпръскването на галактиките, което напълно съответства на класическата физика, без да се прибягва до хипотетичната тъмна енергия.
Защо научният свят няма веднага да се откаже от „тъмната енергия“
Публикацията на групата „Саркар“ предизвика остра дискусия в академичните среди. Концепцията за „тъмната енергия“ вече се превърна в основата, върху която са изградени стотици теоретични модели, написани са учебници и са стартирани космически мисии.
Част от астрофизиците критикуваха новите резултати. Противниците на метода посочват, че ако към галактиките се приложи още един начин за калибриране — въз основа на общата им маса, то зависимостта на яркостта на свръхновата от възрастта на звездите сякаш се изглажда.
Въпреки всичко, авторите на новото изследване отговарят на тази критика. Те доказват, че корекцията според масата на галактиките сама по себе си се основава на предположението, че тъмната енергия съществува. Използването на масата на галактиките за изглаждане на данните създава логически кръг: учените използват параметрите на модела, който се опитват да проверят, за да потвърдят същия този модел.
Освен това на заключенията на оксфордската група говорят и други независими наблюдения. Например, изследванията на разпределението на далечните квазари и радиогалактики също показват отклонения от стандартния модел: движението на материята в космоса не съвпада с параметрите на реликтовото фоново излъчване на ниво на статистическа значимост над пет сигма. В съвременната космология се задълбочава кризата на несъответствието в данните, а отказът от концепцията за ускореното разширяване може да се окаже най-лесният начин за разрешаване на тази криза.
Физиката става по-простаАко заключенията на групата на Саркар бъдат потвърдени от по-нататъшни наблюдения, науката ще преживее най-голямата ревизия на представите си през последните десетилетия.
Парадоксално е, но изчезването на тъмната енергия няма да усложни, а ще опрости физиката. Причината е, че тъмната енергия винаги е била изключително неудобен обект за теоретиците.
Когато физиците-теоретици се опитаха да изчислят възможната плътност на тъмната енергия с помощта на квантовата теория на полето, резултатите им се различаваха от реалните астрономически наблюдения в 10 на 120-та степен. Това несъответствие се счита за най-голямата грешка в историята на теоретичната физика.
Ако тъмната енергия не съществува, този фундаментален проблем изчезва от само себе си. Вселената вече няма нужда от тази загадъчна сила, която хипотетично се ражда от нищото в празното пространство. Динамиката на космоса става разбираема и се описва със стандартните уравнения на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн: импулсът на Големия взрив изтласква материята в различни посоки, а взаимното гравитационно привличане на звездите и галактиките постепенно забавя този процес.
През следващите години астрономите ще получат огромен масив от нови данни от пусканите в експлоатация телескопи от ново поколение, включително наземната обсерватория „Вера Рубин“ в Чили. Техните прецизни спектрометри ще могат окончателно да потвърдят как точно яркостта на свръхновите зависи от възрастта на родителските звезди.
Възможно е още в близко бъдеще хипотезата за тъмната енергия да остане в историята на науката само като пример за това как една малка грешка в калибрирането на уредите може за четвърт век да отклони физиката по погрешен път.