Туманность Сверхновой Кеплера SN 1604 (созвездие Змееносца).
В начале 2020 года по научно-популярным порталам распространилась новость под заголовками примерно такого содержания: «Обнаружено новое свидетельство того, что ключевые предположения в основе открытия тёмной энергии являются ложными». В её основе лежит серия из двух статей астрофизиков из корейского Университета Ёнсе (кор. 연세대학교), опубликованных в The Astrophysical Journal и посвящённых эволюции определённого типа сверхновых Ia в связи с морфологией и свойствами галактик, в которых они находятся. Утверждалось, что кажущееся ускоренное разбегание галактик, приведшее к понятию тёмной энергии, можно объяснить разницей светимости вспышек сверхновых в старых и молодых галактиках, из-за чего удалённые галактики кажутся нам ещё дальше.
В самих статьях (статья 1, статья 2) астрофизики не делают предположений о ложности понятия тёмной энергии; растиражированное заявление о «пересмотре» концепции тёмной энергии скорее родилось при переносе результатов исследовательской работы в научно-популярный дискурс. Предположительно, кто-то из авторов допустил неосторожность при подаче материала для научпопа, что и вызвало оживление: тёмная энергия сейчас на слуху, в частности, в связи с вручением в 2019 году Нобелевской премии за исследования в области космологии, и ранее в 2011 году — за собственно открытие тёмной энергии; соответственно заголовок новости про её «ниспровержение», вероятно, способен поднять издание в конкурентной гонке.
Новость не осталась незамеченной в среде специалистов, однако основной вывод её научно-популярной подачи вызвал скептическое отношение. Отбрасывание современных объединяющих концепций, наподобие тёмной материи/энергии, или, к примеру, теории относительности не произойдёт в результате одного, даже блестящего, исследования или эксперимента, и авторы вряд ли к этому стремились, публикуя результаты своих достаточно рутинных и трудоёмких изысканий в солидном астрофизическом издании.
Сверхновые — это конечный этап эволюции некоторых типов звёзд, который проявляется в виде мощной вспышки (взрыва) звезды с последующим постепенным её затуханием. Продукты взрыва сверхновых звёзд, как правило, в нашей Галактике, часто наблюдаются в виде узнаваемых туманностей на небе. Например, остатком сверхновой, взрыв которой наблюдался на Земле в 1054 году, является Крабовидная туманность. Сверхновые классифицируются по некоторым признакам, прежде всего, по отсутствию или наличию в их спектре линий водорода (соответственно сверхновые типов I и II). Особый интерес для космологии представляют сверхновые типа Ia, возникающие в результате взрыва звёзд класса белый карлик в двойных звёздных системах. Предполагается, что из-за узкого диапазона, в котором могут находиться массы белых карликов, пиковая светимость таких сверхновых примерно одинакова вне зависимости от того, когда и в какой галактике они образовались (после определённых процедур стандартизации данных). Благодаря этому такие объекты используют как реперы, или «стандартные свечи» (standard candles) для определения расстояний до удалённых галактик, в которых они находятся. Сверхновые типа Ia были первыми объектами, с помощью которых в 1998—1999 годах было обнаружено, что расширение Вселенной со временем ускоряется. Удалённые галактики, свет от которых идёт к нам миллиарды лет, разбегаются со скоростями, меньшими, чем предписывает закон Хаббла.
Это послужило толчком к введению модели тёмной энергии, которая влияет на законы гравитации на космологических расстояниях, то есть расстояниях, значительно больших, чем размеры нашей Галактики и локального скопления галактик, и сопоставимых с видимыми размерами Вселенной. Пока что «тёмная энергия» — это некоторый условный термин для обозначения эффектов антигравитации, которые приводят к видимому ускорению расширения Вселенной по сравнению с известными почти с начала XX века космологическими моделями, в частности, моделью Фридмана 1920-х годов.
Тёмная материя была введена в обиход парой десятилетий ранее. Одним из мотивов, приведших к этой модели, было несоответствие распределения видимой (звёздной) массы в нашей Галактике и параметров вращения вещества вокруг её центра. Подобные несоответствия также обнаружились и в не очень удалённых галактиках, где в принципе оказалось возможным провести такой подсчёт. Подобным же образом концепция тёмной энергии появилась в конце 1990-х для учёта несоответствия новых данных по расширению Вселенной на основании уточнённых измерений расстояний до галактик по наблюдениям сверхновых.
Первое исследование сверхновой 1572 года в созвездии Кассиопеи. Рисунок Тихо Браге.
Основным результатом статей коллектива астрофизиков из Университета Ёнсе является вывод о возможности эволюции светимости сверхновых типа SN Ia, возникающих в разные эпохи: найдена значимая корреляция между светимостью этого типа сверхновых и так называемым возрастом по популяции звёзд в её галактике. То, что светимость сверхновых может меняться в зависимости от возраста, типа и свойств вещества той или иной галактики, не является сенсацией и вообще чем-то удивительным. Такие результаты астрофизики получают давно, и достаточно очевидно, что предположение о «неизменности» светимости возникающих сверхновых сейчас и миллиарды лет назад — идеализация. Вопрос состоит в том, насколько правомерно на основе такой идеализации вводить «дополнительные сущности» наподобие тёмной энергии, про которую пока что неизвестно ничего. Так что статьи корейских астрофизиков пока что не переворачивают естествознание. В работах многих исследовательских групп за последние 20 лет изучается связь светимости сверхновых с различными свойствами галактик. Так, изучается связь с морфологией галактики, массой, локальным звёздным окружением (активные области формирования звёзд поблизости или «пассивное» окружение), другими свойствами. Однако найденные корреляции не равнозначны причинам такой связи. Скорее всего, различие всех этих характеристик галактик и параметров сверхновых в них обусловлено различием общих свойств вещества в старых/новых галактиках, металличностью и др. Для исследования всего выбрано несколько десятков галактик по обзорам на двух телескопах-спектрографах: в обсерватории LCO (Las Campanas Observatory) в пустыне Атакама, Чили — галактики южного полушария и MMT в Аризоне, США. Для этой выборки галактик оказалось возможным установить с хорошей точностью данные по их возрасту, удалению и свойствам их материала. Исследование является частью научного проекта YONSEI (YOnsei Nearby Supernova Evolution Investigation), продолжающегося уже в течение девяти лет. Как следует из названия, выборка ограничивается достаточно «близкими» галактиками разного возраста с параметрами космологического сдвига z от 0,01 до 0,08 (это расстояния где-то до миллиарда световых лет). Поскольку исследуются галактики разного возраста, результаты можно было экстраполировать и на большие значения z (до 1,5).
В результате не обнаружено статистически значимой корреляции светимости с металличностью галактик, однако, результат статей — сильная корреляция светимости с возрастом (population age). В более молодых галактиках сверхновые светят слабее. На больших расстояниях мы наблюдаем именно более молодые галактики (свет от них идёт к нам многие миллиарды лет). Но расстояния до галактик мы определяем по яркостям сверхновых, предполагая, что они одинаковы. Наблюдая просто менее яркую вспышку, мы получаем завышенную оценку расстояния до галактики, и, следовательно, скорости её удаления в связи с расширением Вселенной. В этом суть «сенсации» (в изложении научно-популярных изданий), поскольку для объяснения ускоренного «разбегания» двадцать лет назад астрофизики ввели понятие тёмной энергии, и даже впоследствии получили за это Нобелевскую премию.
«Остаточная» светимость сверхновых в удалённых галактиках (большие z), или Hubble residuals (HR) по сравнению с космологической моделью без тёмной энергии. Пересчитанная светимость вспышек меньше (бóльшие HR) или за счёт тёмной энергии (бóльшие расстояния), или, как предполагают авторы, потому что вспышки сверхновых Ia в молодых галактиках в среднем менее яркие. Из: Kang et al., Astroph.J., 2020.
Данные по сверхновым этого типа были исторически первым свидетельством, позволившим говорить о тёмной энергии. Однако с тех пор необходимость её введения подтверждается другими свидетельствами. Одно из значимых направлений — исследование реликтового космического излучения — радиационного фона, оставшегося после Большого Взрыва и в настоящее время «остывшего» до около 3 K (волны радиодиапазона). Такие исследования интенсивно ведутся более 50 лет, со времени подтверждённого его открытия в середине 1960-х годов. За исследование свойств этого излучения и его связи с содержанием тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной в 2019 году получил Нобелевскую премию один из первооткрывателей этого направления астрофизик Джим Пиблс. В настоящее время точность инструментов позволяет исследовать пространственную анизотропию этого излучения, особенности его спектра и даже использовать его как естественный фон для определения массы галактик методом гравитационного линзирования (отклонения траектории лучей вблизи массивных космических тел). В частности, свойства реликтового излучения позволяют определить относительную долю видимой материи, тёмной материи и тёмной энергии в энергетическом балансе Вселенной. Концепция тёмной энергии также используется в исследовании крупномасштабной структуры Вселенной, оперирующей распределениями скоплений галактик как точечных объектов. Однако прямого подтверждения действия соответствующих «антигравитационных» сил в лабораторных условиях пока не найдено.
Модель тёмной энергии, как и тёмной материи — это «объединяющая концепция», подобно модели тектоники литосферных плит в геологии, или теории относительности (специальной и общей). Даже если «основополагающие» эксперименты, приведшие к этому понятию, впоследствии вызывают вопросы, такие концепции, раз возникнув, впоследствии «обрастают» экспериментальными подтверждениями и теориями из других областей. Наука работает так, что для отбрасывания таких моделей как целого, как правило, требуется скачок со сменой научной парадигмы, как это в своё время случилось с теориями теплорода и эфира. В случае с тёмной энергией существует множество направлений исследований, объясняющих её эффекты другими механизмами, например, модификацией законов гравитации, ньютоновской динамики, постулированием особых геометрических свойств пространства без вещества и др. Вышеописанное исследование — это только одно из множества направлений в таких работах. Пока что нет повода говорить о том, что именно такой или иной подход станет доминирующей альтернативой для уже общепринятой в сообществе астрофизиков модели.
Источник: