Что такое тёмная энергия?

Вопрос

Вселенная расширяется: галактики разлетаются, как показал Эдвин Хаббл в 1920-х годах. Гравитация стягивает всё вместе, поэтому большую часть XX века астрономы ожидали, что расширение замедляется. Вопрос, казалось, был лишь в том, насколько быстро.

В 1998 году две независимые команды измерили это по далёким взрывающимся звёздам — сверхновым типа Ia, которые светят с почти известной яркостью и могут служить космическими мерками расстояний. Обе обнаружили противоположное ожидаемому: расширение ускоряется. Что-то раздвигает пространство. Это назвали тёмной энергией, и по нынешним измерениям она составляет около 70% всей энергии во Вселенной. Что это такое — один из крупнейших открытых вопросов физики.

Что известно

• Ускорение надёжно установлено. Открытие 1998 года, сделанное командами Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта с Адамом Риссом, получило Нобелевскую премию по физике 2011 года. С тех пор его подтвердили независимые методы: послесвечение Большого взрыва, распределение галактик и рост космических структур.
• Простейшее объяснение — космологическая постоянная: энергия, принадлежащая самому пустому пространству, одинаковая везде и всегда. Эйнштейн ввёл такой член в свои уравнения в 1917 году, а потом от него отказался. С тёмной энергией он вернулся, и на нём построена стандартная космологическая модель ΛCDM.
• Тёмная энергия стала преобладать лишь сравнительно недавно по меркам космической истории — несколько миллиардов лет назад. До этого гравитация материи была сильнее, и расширение замедлялось.
• С 2024 года спектроскопический инструмент DESI, нанёсший на карту положения миллионов галактик, находит намёки на то, что тёмная энергия не постоянна, а со временем слабеет. Его результаты 2025 года вместе со сверхновыми и реликтовым излучением отдают предпочтение меняющейся тёмной энергии перед постоянной, со статистической значимостью от 2,8 до 4,2 сигмы в зависимости от того, какая выборка сверхновых используется. Это наводит на размышления, но ещё не 5 сигм, которые физики требуют для открытия.

Основные гипотезы

Энергия вакуума

Квантовая физика говорит, что пустое пространство не пусто: оно заполнено флуктуирующими полями, которые должны нести энергию. Это естественный кандидат на роль космологической постоянной. Проблема в величине: наивные расчёты дают значение примерно в 10^120 раз больше наблюдаемого — возможно, худшее предсказание в истории физики.

Новое поле

Тёмная энергия может быть полем, которое медленно меняется со временем; его иногда называют квинтэссенцией. В отличие от постоянной, оно может слабеть или усиливаться — именно на это намекают данные DESI.

Модифицированная гравитация

Возможно, тёмной энергии нет вовсе, а общую теорию относительности Эйнштейна нужно изменить на самых больших масштабах. Предложено много таких теорий; наблюдения гравитационных волн в 2017 году уже исключили большой их класс.

Эффекты измерений

Некоторые считают, что часть видимого ускорения или его изменения может быть следствием того, как анализируются данные: например, небольших систематических ошибок в яркости сверхновых или допущений стандартной модели, заложенных в анализ.

Что могло бы дать ответ

• Подтверждение или опровержение меняющейся тёмной энергии на уровне 5 сигм. DESI завершил запланированный пятилетний обзор в апреле 2026 года, нанеся на карту более 47 миллионов галактик и квазаров; первые результаты по тёмной энергии на полных данных ожидаются в 2027 году. Новые обзоры, например космического телескопа Euclid и обсерватории имени Веры Рубин, дадут независимую проверку.
• Точные проверки гравитации на космических масштабах, способные отличить тёмную энергию от модифицированной гравитации.
• Теория, объясняющая, почему энергия вакуума так мала, или новое поле, предсказывающее измеренное поведение до того, как его наблюдают.