Две главные загадки Вселенной могут иметь собственное измерение
Тёмная энергия, возможно, слабеет. Учёные задаются вопросом: не связано ли это с её переплетением с тёмной материей в «тёмном измерении»?
Для тех, кто видит мир мрачным, Вселенная, кажется, не предлагает утешения. Согласно текущим оценкам, примерно семьдесят процентов всего, что составляет космос, — это тёмная энергия, неизвестная сила, которая заставляет пространство расширяться. Ещё около двадцати пяти процентов приходится на тёмную материю, загадочную субстанцию, которая удерживает галактики вместе.
Но если говорить о смысле слова, тёмная энергия и тёмная материя не столько «тёмные», сколько невидимые. Они не испускают, не отражают и не поглощают свет, и до сих пор их не удавалось наблюдать напрямую.
Обычно тёмную энергию и тёмную материю рассматривают как отдельные сущности, а их неуловимость — как главную связующую нить. Но недавние астрономические наблюдения побудили учёных глубже взглянуть на менее популярную идею: что эти две силы на самом деле физически переплетены.
В 2024 году исследовательская группа, известная как ДЕСИ (Dark Energy Spectroscopic Instrument — спектроскопический инструмент для изучения тёмной энергии), обнаружила свидетельства того, что сила тёмной энергии, которую иногда называют «космологической постоянной», утратила свою предполагаемую неизменность. Исследование 2025 года, основанное на более чем вдвое большем объёме данных, также пришло к выводу, что тёмная энергия меняется со временем.
Эти результаты указывают на то, что, достигнув максимума около двух миллиардов лет назад, тёмная энергия, возможно, начала ослабевать. Но они же позволяют предположить, что в более раннюю эпоху тёмная энергия могла усиливаться — в кажущемся противоречии с законом сохранения энергии.
Исследователи описывают это как вхождение тёмной энергии в «фантомный режим». Они сравнивают ситуацию с шаром, катящимся в гору. Это, конечно, возможно, но только если на шар влияет что-то помимо гравитации.
Всё больше теоретиков рассматривают возможность того, что на тёмную энергию влияют её связи с тёмной материей.
Хотя учёные предполагали, что тёмная энергия и тёмная материя «не имеют друг к другу никакого отношения», говорит Тим Тейт, физик элементарных частиц из Калифорнийского университета в Ирвайне, «можно вообразить случай, когда одна влияет на другую. И не было бы удивительным, если бы они оказались проявлениями своего рода единой теории тёмной Вселенной».
Мысль о том, что тёмная энергия и тёмная материя взаимодействуют, не нова. Например, Джастин Хури, физик из Пенсильванского университета, исследовал эту перспективу ещё в 2005 году.
Хури объяснил, что в том исследовании он и два соавтора поставили гипотетический вопрос: может ли существовать форма тёмной энергии, плотность которой со временем растёт? Они обнаружили, что если тёмная энергия и тёмная материя могут влиять друг на друга, они способны породить то, что выглядит как фантомное поведение, но таковым не является. «Это самый естественный и простой способ достичь этого», — сказал Хури.
Два десятилетия спустя появилось открытие ДЕСИ, показавшее, что тёмная энергия, возможно, действительно меняется со временем. Этот результат побудил Хури и двух его пенсильванских коллег, Мэн-Сян Линя и Марка Троддена, построить модель тёмных взаимодействий, основанную на тёмном аналоге квантовой хромодинамики — краеугольной теории физики элементарных частиц. В новой модели и плотность энергии тёмной энергии, и масса тёмной материи меняются согласованно.
Другое недавнее исследование воображает нечто похожее. Согласно этой модели, опубликованной в январе в журнале «Физикал Ревью Ди», тёмная материя могла передать небольшую долю своей энергии тёмной энергии в предыдущую эпоху космической истории. «Тёмная материя — главный тормоз расширения Вселенной, — сказала один из авторов, Элса Тейшейра, космолог из Университета Монпелье во Франции. — Поэтому ослабление этого тормоза вызвало бы ускорение расширения Вселенной».
Появление фантомного поведения — в основном результат бухгалтерии, сказал Давид Андрио, физик из Национального центра научных исследований Франции. «Любое изменение или эволюция массы тёмной материи была помещена в графу тёмной энергии», — сказал Андрио, представивший собственную модель связанных тёмной энергии и тёмной материи в мае 2025 года.
Камран Вафа, физик из Гарвардского университета, согласен. «Представление, что можно вычислить тёмную энергию независимо от тёмной материи, ошибочно, — сказал он. — Это допущение, часто делаемое космологами и также принятое командой ДЕСИ, привело к физически неприемлемому фантомному поведению».
Открытия ДЕСИ — не единственная причина рассматривать связь между тёмной энергией и тёмной материей. Недавнее исследование Тейшейры и коллег показывает, как допущение их взаимодействия может, по крайней мере в некоторых сценариях, смягчить одну из самых стойких проблем космологии: хаббловское напряжение.
Речь идёт о текущей скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла. Её значение можно измерить, используя свет из ранней Вселенной, что даёт представление о том, как космос рос в свои первые дни. Его можно измерить и по более поздним явлениям, таким как взрывающиеся звёзды, называемые сверхновыми, которые показывают, как Вселенная растёт сейчас.
Согласно стандартной модели космологии, эта скорость расширения должна быть одинаковой независимо от способа измерения. Но в последние годы учёные обнаружили, что скорость расширения ранней Вселенной и более поздней Вселенной различаются примерно на девять процентов.
Это расхождение, или напряжение, «вызвало горячие споры в космологическом сообществе о том, может ли эта разница быть следствием систематических ошибок или же она является сигналом новой физики», — написали Тейшейра и её соавторы. Их модель предполагает, что в мире, где тёмная энергия и тёмная материя взаимодействуют, то, что казалось кризисом из-за расходящихся скоростей расширения, становится чем-то ожидаемым.
Тёмное измерение
Если тёмная энергия и тёмная материя действительно взаимодействуют, это может означать, что у них общее происхождение, сказал Хури.
Текущая работа в теории струн — идее о том, что наша Вселенная на самом маленьком, самом фундаментальном уровне состоит из вибрирующих струн, — подсказывает способ, которым эти понятия могут быть связаны. В 2019 году, опираясь на представление теории струн о том, что тёмная энергия естественным образом меняется, Вафа и два сотрудника пришли к выводу, что масса частиц тёмной материи также может меняться со временем. Это привело их к предположению в 2022 году, что тёмная материя и тёмная энергия могут быть связаны с так называемым тёмным измерением.
Теория струн постулирует существование шести или семи дополнительных измерений вдобавок к привычным нам трём измерениям пространства и одному измерению времени. Все эти измерения, как считается, настолько малы, насколько это физически возможно, — близко к планковскому масштабу (10 в минус 35-й степени метра), — но исследователи предположили, что тёмное измерение может быть значительно больше остальных — порядка микрона (10 в минус шестой степени метра).
Гравитоны, теоретические частицы, передающие силу гравитации, могли бы просачиваться в это увеличенное тёмное измерение. Если бы они это делали, они приобретали бы массу и становились так называемыми тёмными гравитонами. Эти массивные гравитоны обитали бы в тёмном измерении, но их гравитационные эффекты ощущались бы в других измерениях, позволяя им выполнять роль, которую обычно приписывают тёмной материи.
В этом сценарии «существует очень естественная связь между тёмной энергией и тёмной материей», — сказал Жорж Обид, физик из Чикагского университета. Изменения размера тёмного измерения влияли бы и на тёмную энергию, и на тёмную материю.
В работе, опубликованной в июле 2025 года, Обид и Вафа вместе с Алеком Бедроя из Принстона и Дэвидом Ву из Гарварда обнаружили, что сценарий, предложенный в 2019 году, согласуется с данными ДЕСИ. Их модель предсказывает, что сила тёмной энергии и масса тёмной материи будут уменьшаться со временем, а скорость изменения тёмной энергии будет пропорциональна её плотности. Поскольку астрофизические измерения говорят нам, что плотность энергии тёмной энергии чрезвычайно мала, «она не будет меняться быстро», — сказал Вафа.
«Неудивительно, что мы не замечали этого до сих пор, — сказал он, — потому что скорость изменения настолько крошечна. Нам пришлось ждать весь возраст Вселенной, чтобы обнаружить нечто столь малое».
Если тёмная материя связана с тёмной энергией, частицы тёмной материи могли бы взаимодействовать друг с другом через новую дальнодействующую силу, отдельную от гравитации. Хорошая новость, по словам Обида, в том, что «могут существовать астрофизические способы проверить это».
По совпадению, два физика — Марк Камионковски, ныне в Университете Джонса Хопкинса, и Майкл Кесден, ныне в Техасском университете в Далласе, — уже исследовали одну такую проверку. В работе, опубликованной в 2006 году, они вообразили последовательность событий, в которой две галактики сближаются и гравитация одной притягивает другую. Если тёмная материя обладает более сильным гравитационным притяжением к другой тёмной материи, чем к обычной материи, позади одной из галактик образовался бы особый вид «приливного хвоста» — протяжённого потока звёзд, газа и пыли.
Кесден и Камионковски искали этот эффект и не нашли его, что позволило им установить верхнюю границу возможной силы дополнительного притяжения. Верхняя граница оказалась примерно в двадцать раз больше значения, предложенного командой Вафы, так что предсказанное значение попадало в пределы наблюдаемой границы. «Интересно, что мы теперь находим связи между той довольно абстрактной работой и наблюдательными и экспериментальными исследованиями», — сказал Камионковски.
Тот факт, что предсказание, основанное на расчётах из теории струн, приблизительно совпало с астрофизическими данными, не подтверждает справедливость этих «струнных» моделей. Но любое соответствие между теорией струн и экспериментом приятно Вафе, который провёл последние четыре десятилетия, пытаясь вырвать теорию из чисто концептуальной области и довести до уровня проверяемых предсказаний.
Обид, один из бывших аспирантов Вафы, движим той же целью. Понимание тёмной энергии и тёмной материи и связи, которая может их объединять, — устрашающе трудная задача, сказал он. «И я думаю, очень полезно подходить к этому разными путями» — будь то со стороны наблюдательной космологии, физики элементарных частиц или теории струн.
«Вот как люди должны заниматься наукой, — сказал Обид. — Я имею в виду, что работа теоретических физиков — исследовать всё возможное, выложить на стол все варианты. И в конце концов данные помогут нам решить».
