Тёмная энергия: новейшие открытия, полученные с помощью суперкомпьютеров

Новое исследование предполагает, что тёмная энергия — таинственная сила, вызывающая ускоренное расширение Вселенной, — возможно, всё-таки не является постоянной величиной.

С начала XX^го века исследователи собрали убедительные доказательства того, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с ускорением. Это ускорение связано с загадочным явлением, известным как тёмная энергия, — свойством пространства-времени, которое, как считается, раздвигает галактики.

В течение многих лет в доминирующей космологической модели — модели холодной тёмной материи с лямбда-CDM (ΛCDM) — тёмная энергия рассматривалась как фиксированная величина, остающаяся неизменной на протяжении всей истории космоса. Это предположение долгое время служило простой основой для понимания Вселенной, однако оно оставляет открытой важную возможность: тёмная энергия может не быть постоянной и меняться с течением времени.

Новые наблюдения указывают на динамическую природу тёмной энергии

Последние открытия в области наблюдений начинают ставить под сомнение устоявшееся представление о тёмной энергии как о чём-то неизменном. Данные, полученные с помощью спектроскопического прибора для изучения тёмной энергии (DESI), усовершенствованного инструмента для составления карт далёких галактик, позволяют предположить, что динамический компонент тёмной энергии (DDE) может лучше описывать космос.

Этот потенциальный отход от модели ΛCDM указывает на более сложную космическую эволюцию, чем считалось ранее. В то же время он подчёркивает серьёзный пробел в современных знаниях: учёные до сих пор плохо понимают, как зависящий от времени компонент тёмной энергии может влиять на формирование и рост крупнейших структур Вселенной.

Масштабное моделирование для изучения меняющейся Вселенной

Чтобы решить эту задачу, исследовательская группа под руководством доцента Томоаки Исиямы из Совета по совершенствованию цифровой трансформации при Университете Тиба в Японии провела одно из самых масштабных космологических моделирования за всю историю.

Исследование, проведённое совместно с Франсиско Прадой из Института астрофизики Андалусии в Испании и Анатолием А. Клипиным из Университета штата Нью-Мексико в США, было опубликовано в Physical Review D. Их целью было изучить, как изменяющийся во времени компонент тёмной энергии может влиять на форму Вселенной и давать более чёткие ориентиры для интерпретации будущих астрономических данных.

Суперкомпьютер Fugaku тестирует несколько моделей тёмной энергии

Используя суперкомпьютер Fugaku, одну из ведущих вычислительных систем Японии, исследователи провели три моделирования N-тел с высоким разрешением, каждое из которых охватывало вычислительный объём, в восемь раз превышающий объём предыдущих работ.

В одной симуляции использовалась стандартная модель ΛCDM Планка-2018, а в двух других — версии динамической тёмной энергии. Сравнив модель DDE с фиксированными параметрами с моделью ΛCDM, они смогли выявить конкретные эффекты, возникающие из-за изменения компонента тёмной энергии. В третьей симуляции использовались оптимальные параметры DESI за первый год, что позволило команде изучить, как более реалистичный сценарий DDE, основанный на наблюдениях, повлияет на обновлённую космологическую модель.

Как изменения плотности материи влияют на космос

Полученные данные свидетельствуют о том, что динамическая тёмная энергия сама по себе вызывает относительно небольшие изменения. Однако когда исследователи скорректировали космологические параметры в соответствии с результатами DESI, в частности увеличив плотность материи примерно на 10 %, последствия стали гораздо более существенными.

Большая плотность материи усиливает гравитационное притяжение, что приводит к более раннему формированию массивных скоплений галактик. Эти скопления служат структурным каркасом Вселенной, поддерживая сети галактик, которые мы наблюдаем сегодня. Согласно этому сценарию, модель DDE, основанная на данных DESI, предсказывает, что на ранних этапах существования Вселенной массивных скоплений будет на 70 % больше.

Проверка модели с помощью древних космических сигналов

Команда также оценила, как модели влияют на барионные акустические колебания (БАК), которые представляют собой следы древних звуковых волн и служат ключевым инструментом для измерения космических расстояний. В модели DDE, полученной с помощью DESI, пик БАК сместился на 3,71 % в сторону меньших масштабов. Это смещение практически совпало с данными наблюдений DESI, что свидетельствует о хорошем соответствии между моделью и реальными измерениями и укрепляет уверенность в прогностических возможностях модели.

Кластеризация галактик предоставляет дополнительные доказательства

Помимо BAO, исследователи изучили, как галактики группируются по всей Вселенной. Модель DDE на основе DESI показала явное усиление кластеризации по сравнению с другими моделями, особенно на малых масштабах. Такое поведение является прямым следствием более высокой плотности материи, использованной в симуляции. Когда команда сравнила эти результаты с наблюдениями DESI, она обнаружила, что закономерности кластеризации галактик хорошо согласуются с прогнозами модели.

Ключевые выводы о формировании структуры

В целом исследование показывает, насколько сильно может измениться структура Вселенной при изменении как тёмной энергии, так и таких космологических параметров, как плотность материи. Как утверждает доктор Исияма, «наше масштабное моделирование демонстрирует, что изменения космологических параметров, особенно плотности материи во Вселенной, оказывают большее влияние на формирование структуры, чем один только компонент DDE».

Подготовка к исследованиям галактик следующего поколения

Учитывая, что в ближайшее время планируется провести несколько крупных исследований, эти выводы будут иметь важное значение для интерпретации всё более точных измерений. «Ожидается, что в ближайшем будущем крупномасштабные исследования галактик с помощью спектрографа Subaru Prime Focus и DESI значительно улучшат точность измерения космологических параметров. Это исследование предоставляет теоретическую основу для интерпретации будущих данных», — заключает доктор Исияма.

Ссылка:

«Эволюция кластеризации в космологических моделях с изменяющейся во времени тёмной энергией» Томоаки Исиямы, Франсиско Прады и Анатолия А. Клипина, 4 августа 2025 г., Physical Review D. DOI: 10.1103/4k5f-gyrx