У 1998 році дві незалежні команди космологів виявили, використовуючи наднові, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється. Відкриття суперечило очікуванням: гравітація мала б гальмувати розбігання галактик, а не прискорювати його. Щоб пояснити прискорення, фізики припустили існування темної енергії — явища, природа якого досі невідома. За сучасними оцінками, вона становить близько 70% маси-енергії Всесвіту.
Через кілька років після того відкриття астрономи почали розробляти експерименти для вивчення темної енергії. Одним з найамбітніших став Dark Energy Survey (DES) — міжнародна колаборація понад 400 науковців із 35 інституцій у семи країнах під керівництвом Фермілаб (Fermi National Accelerator Laboratory, США). Після шести років спостережень команда щойно оприлюднила підсумковий аналіз усіх зібраних даних.
Чотири методи в одному аналізі
DES спостерігав небо з 2013 по 2019 рік за допомогою 570-мегапіксельної камери DECam, встановленої на 4-метровому телескопі Blanco в чилійській обсерваторії Cerro Tololo. За 758 ночей спостережень команда зафіксувала дані про 669 мільйонів галактик, розташованих на відстані мільярдів світлових років від Землі, покривши восьму частину неба.
Головна особливість нового аналізу — вперше за 25 років існування проєкту вдалося об'єднати всі чотири методи вимірювання розширення Всесвіту, закладені в задум DES ще на старті: баріонні акустичні коливання, наднові типу Іа, скупчення галактик та слабке гравітаційне лінзування. Результати описані у статті, поданій до Physical Review D, яка узагальнює 18 супровідних наукових робіт.
Це неймовірне відчуття — бачити ці результати, засновані на всіх даних і з усіма чотирма методами, які DES планував від початку. Це було те, про що я могла лише мріяти, коли DES починав збирати дані, і тепер ця мрія здійснилася.Юаньюань Чжан, астрономка NSF NOIRLab, учасниця колаборації DES
Як лінзування реконструює невидиму матерію
Одним із ключових інструментів аналізу стало слабке гравітаційне лінзування — спотворення світла далеких галактик під впливом гравітації матерії, що лежить на шляху променя, наприклад скупчень галактик. Команда DES вдосконалила методи, які дозволяють надійно реконструювати розподіл матерії у Всесвіті цим способом.
Для цього дослідники вимірювали ймовірність того, що дві галактики розташовані на певній відстані одна від одної, а також ймовірність того, що їхнє світло викривлене подібним чином через лінзування. Поєднавши ці дані, вчені реконструювали розподіл матерії за останні шість мільярдів років космічної історії. Кожен момент цієї історії показує, скільки в ньому було темної енергії та темної матерії.
Нові обмеження на параметри космологічних моделей виявилися більш ніж удвічі точнішими за попередні результати DES, залишаючись при цьому узгодженими з ними. Дані команди здебільшого відповідають стандартній моделі космології ΛCDM, у якій густина темної енергії постійна в часі. Вони також узгоджуються з розширеною моделлю wCDM, де густина темної енергії змінюється, але не описують дані краще за стандартну модель.
Розбіжність, яка не зникає
Не все узгоджується ідеально. Один параметр — те, як скупчуються галактики на пізніших етапах історії Всесвіту — досі відрізняється від передбачень, зроблених на основі вимірювань раннього Всесвіту. Цю розбіжність помічали і в попередніх аналізах DES.
З додаванням найновіших даних розрив між спостереженнями і передбаченнями лише збільшився. Втім, він поки не настільки великий, щоб з упевненістю стверджувати, що стандартна модель космології помилкова. Розбіжність зберігається навіть тоді, коли дані DES поєднують з результатами інших експериментів.
Що чекає далі: обсерваторія Vera C. Rubin
Наступним кроком команда планує об'єднати отримані результати з найновішими обмеженнями інших експериментів з вивчення темної енергії, щоб перевірити альтернативні моделі гравітації та темної енергії.
Цей аналіз також готує ґрунт для роботи обсерваторії Vera C. Rubin — спільного проєкту NSF та Міністерства енергетики США, який експлуатують NOIRLab і SLAC. Протягом наступного десятиліття в рамках огляду Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерваторія скаталогізує близько 20 мільярдів галактик по всьому південному небу.
Поєднання цих нових даних з результатами таких оглядів, як DES, дозволить з високою точністю виміряти космологічні параметри й глибше зрозуміти природу темної енергії та історію розширення Всесвіту.
