Темна енергія, яку зазвичай вважають сталою рушійною силою прискореного розширення Всесвіту, можливо, поводилася зовсім інакше в минулому. Нова теоретична робота групи з Технічного університету Стамбула припускає, що ефективна густина темної енергії могла бути від’ємною в ранній історії космосу, а приблизно 9,5 мільярда років тому змінити знак на додатний. Про це йдеться в матеріалі ScienceDaily.
Як нові спостереження DESI змусили переглянути темну енергію
Десятиліттями панувало припущення, що темна енергія незмінна в часі й поводиться як стала космологічна константа. Однак дані приладу Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), який створює найбільшу в історії тривимірну карту Всесвіту, натякають, що її вплив міг змінюватися протягом мільярдів років.
Хоча ці спостереження ще не досягають рівня статистичної значущості, необхідного для оголошення відкриття, вони знову поставили запитання: чи може темна енергія еволюціонувати замість того, щоб залишатися сталою?
Щоб відповісти на це, дослідники з Технічного університету Стамбула (ITU) звернулися до вже відомої, але не до кінця вивченої альтернативної теорії гравітації та переглянули один її мало досліджений розділ.
Телепаралельна гравітація: альтернативний погляд на тяжіння
Команда під керівництвом професора Озгюра Акарасу (Özgür Akarsu) з кафедри фізики ITU проаналізувала так звану телепаралельну гравітацію f(T). На відміну від загальної теорії відносності Ейнштейна, де гравітація описується через кривину простору-часу, телепаралельна гравітація описує її через величину, що називається крученням (torsion).
Існують модифіковані варіанти цієї теорії, здатні пояснювати прискорене розширення Всесвіту без введення додаткових «екзотичних» компонент. Раніше, досліджуючи експоненціальну форму телепаралельної гравітації, науковці зосереджувалися на одному класі математичних розв’язків, виходячи з припущення, успадкованого від стандартної космології: густина темної енергії має бути завжди додатною.
Акарасу та колеги зняли це обмеження й дослідили раніше відкинуту гілку теорії. Саме там вони виявили сценарій, де ефективна густина темної енергії спершу від’ємна, а згодом стає додатною.
Над роботою в межах ITU працювали також постдокторантка Н. Мерве Узун (N. Merve Uzun) та докторант Білал Булдук (Bilal Bulduk). До дослідження долучилися професор Ніхан Катирджи (Nihan Katırcı) з Університету Догу́ш і професор Антоніо Де Феліче (Antonio De Felice) з Інституту теоретичної фізики Юкави Кіотського університету.
Дві можливі історії Всесвіту
Розрахунки показали, що навіть за однакової сучасної густини матерії можливі дві принципово різні космічні історії.
- Один математичний розв’язок практично збігається зі стандартною моделлю ΛCDM, де темна енергія завжди додатна.
- Інший передбачає, що ефективна густина темної енергії в далекому минулому була від’ємною, досягла нуля за червоного зсуву приблизно z ≈ 1,5 (це близько 9,5 млрд років тому), а потім стала додатною і такою залишається.
Цікаво, що для реалізації такого сценарію авторам не довелося вводити додаткові «вільні» параметри. Вибір гілки теорії фактично визначається нинішньою густиною матерії у Всесвіті. Таким чином, модель зберігає ті самі шість космологічних параметрів, що й стандартна ΛCDM.
При цьому модифікована гравітація суттєво відхиляється від ейнштейнівської лише на космологічних масштабах. У щільних середовищах, наприклад у межах Сонячної системи, ці відхилення природно «придушуються», тож модель не суперечить високоточним тестам гравітації поблизу нас.
Зв’язок із напруженістю Габбла та попередніми моделями
Нова робота спирається на попередні ідеї Акарасу та його колег про те, що темна енергія може змінювати знак упродовж космічної історії. Раніше вони запропонували модель sign-switching ΛCDM (ΛsCDM), де космологічна стала переходить з від’ємного значення до додатного через кілька мільярдів років після Великого вибуху.
Аналіз тоді показав, що така зміна знака може узгоджуватися з даними DESI й водночас частково зменшувати кілька відомих напруженостей у космології. Найвідоміша з них — напруженість Габбла, тобто розбіжність між різними методами вимірювання сучасної швидкості розширення Всесвіту.
Залишалося головне питання: який фізичний механізм міг би природно спричинити зміну знака темної енергії? Нинішня робота пропонує можливу відповідь. У межах модифікованої телепаралельної гравітації зміна знака не «зашивається» штучно в модель, а виникає з самої математичної структури теорії як один з її допустимих розв’язків.
Що кажуть спостереження та що ще треба перевірити
Теоретичні результати набувають особливого значення на тлі все детальніших спостережень розширення Всесвіту. DESI відстежує положення мільйонів галактик і квазарів, відтворюючи, як змінювалися масштаби Всесвіту впродовж мільярдів років.
У березні 2025 року колаборація DESI оприлюднила проміжні результати за перші три роки спостережень. У поєднанні з даними про космічне мікрохвильове тло, наднові та слабке гравітаційне лінзування вони посилили натяки на те, що темна енергія може не бути просто сталою космологічною константою.
Поки що ці натяки не досягають рівня, щоб упевнено заявити: темна енергія змінюється з часом. Статистична значущість залежить від набору обраних спостережних даних, тому мова йде лише про можливість, а не про встановлений факт.
DESI вже завершив п’ятирічне картування понад 47 мільйонів галактик і квазарів. Повний набір даних стане суворим тестом для гіпотези про зміну властивостей темної енергії. Цікаво, що робота групи ITU була подана ще в жовтні 2024 року — за кілька місяців до березневого оголошення результатів DESI. Поки що модель не перевірена на повному масиві цих спостережень, і це стане одним з ключових наступних кроків.
Чи могло прискорене розширення вже сповільнитися?
Запропонована теорія важлива не лише зміною знака темної енергії. Оскільки альтернативний космічний сценарій походить із конкретної теорії гравітації, він робить перевірні передбачення не тільки для глобального розширення, а й для того, як формуються й ростуть структури у Всесвіті.
Перспективними тестами стануть вимірювання:
- швидкості росту великих структур (галактик, скупчень);
- спотворень у червоному зсуві (redshift-space distortions);
- слабкого гравітаційного лінзування — того, як маса викривляє шляхи світла.
В розширеному варіанті теорії, який додатково містить космологічну сталу, дослідники виявили, що модель може одночасно узгоджуватися з характеристиками космічного мікрохвильового тла та дозволяти вищі поточні значення сталої Габбла, які отримують із локальних вимірювань. Це робить підхід перспективним кандидатом для розв’язання напруженості Габбла.
Ще одна потенційна особливість розширеної моделі — те, що прискорення розширення Всесвіту в недавньому космічному минулому могло ослабнути або навіть тимчасово припинитися. Аналіз окремих наборів даних DESI раніше вже породжував подібні запитання щодо сталості космічного прискорення.
Водночас і «переворот» темної енергії, і можливе недавнє уповільнення прискореного розширення наразі залишаються гіпотезами. Їх треба перевірити на дедалі точніших спостереженнях, перш ніж говорити про зміну стандартної космологічної картини.
Приховані можливості знайомих теорій
Автори наголошують, що їхня робота демонструє: навіть у добре вивчених теоріях можуть ховатися сценарії, які довго залишалися поза увагою через надто жорсткі початкові припущення. У цьому випадку відмова від вимоги, щоб ефективна густина темної енергії завжди була додатною, відкрила принципово іншу історію еволюції Всесвіту в уже відомій математичній структурі.
Дослідники припускають, що подібний перегляд «забутих» гілок і в інших модифікованих теоріях гравітації може принести додаткові підказки. Остаточну ж оцінку нової картини дасть порівняння з усім обсягом доступних спостережень.
Як підсумовує професор Озгюр Акарасу, наступний ключовий етап — суворо перевірити цю альтернативну космічну історію на повних даних DESI й інших оглядів. Лише тоді стане зрозуміло, чи заслуговує ідея «перевороту» темної енергії на місце поруч зі стандартною моделлю Всесвіту.