Новое исследование поставило под сомнение аргументы в пользу ускоренного расширения Вселенной

Сомнения в стандартной космологической модели усилились после того, как исследователи из Университета Ёнсе в Южной Корее обнаружили критические проблемы в недавней работе, защищавшей общепринятое представление об ускоренном расширении Вселенной. Авторы нового исследования утверждают, что аргументы их оппонентов основаны на методологических ошибках и не опровергают сделанный ранее вывод о том, что расширение Вселенной в настоящее время может уже замедляться.

В ноябре прошлого года группа учёных из Университета Ёнсе представила анализ, согласно которому результаты наблюдений сверхновых типа Ia могут быть систематически искажены из-за связи между их светимостью и возрастом звёздных систем, в которых они возникают. После внесения соответствующей поправки исследователи пришли к выводу, что космическое расширение, вопреки стандартной модели, возможно, уже перешло от ускорения к замедлению.

Этот результат привлёк большое внимание, поскольку оказался близок к выводам, полученным независимым методом на основе измерений барионных акустических осцилляций. Данные, полученные в рамках проекта DESI, также указывают на возможность того, что тёмная энергия не является неизменной космологической постоянной, а эволюционирует со временем и постепенно ослабевает.

В июне международная группа исследователей под руководством учёных из Саутгемптонского университета, в состав которой вошли два лауреата Нобелевской премии, опубликовала работу с критикой результатов южнокорейской группы. Авторы утверждали, что связь между стандартизированной светимостью сверхновых типа Ia и их возрастом значительно слабее, чем было показано в исследовании Университета Ёнсе.

Кроме того, критики предположили, что возраст звёзд — предшественников сверхновых может изменяться с увеличением красного смещения значительно слабее, чем средний возраст звёзд в их галактиках. На основании этих аргументов они сделали вывод, что необходимая поправка на возрастное смещение невелика, а расширение Вселенной по-прежнему ускоряется.

Однако новая работа группы из Университета Ёнсе, опубликованная в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, утверждает, что оба ключевых аргумента критиков содержат серьёзные аналитические проблемы.

Первый спорный вопрос касается измерения так называемого наклона возрастного смещения — зависимости между стандартизированной светимостью сверхновых типа Ia и возрастом их звёздных систем. По мнению авторов нового исследования, для надёжного определения этой зависимости необходимо сравнивать сверхновые, находящиеся в достаточно узком диапазоне красных смещений.

Если объединять объекты из слишком широкого диапазона, изменения популяции сверхновых с расстоянием и возрастная зависимость их светимости начинают смешиваться. Исследователи из Университета Ёнсе утверждают, что именно это произошло в работе, оспаривавшей их первоначальные выводы.

В новом анализе показано, что по мере добавления в выборку сверхновых с более высоким красным смещением измеряемый наклон зависимости систематически становится более пологим. Такой же эффект исследователи получили и на искусственно созданных наборах данных, воспроизводящих соответствующие условия наблюдений.

«Поэтому небольшой наклон возрастного смещения, о котором сообщалось в критической работе, является результатом явной методологической проблемы анализа», — заявил ведущий автор исследования доктор Чхоль Чон из Университета Ёнсе. По его словам, если ограничить сравнение сверхновых подходящим диапазоном красных смещений, выраженная зависимость светимости от возраста снова становится заметной.

Авторы также обратили внимание на модель межзвёздного поглощения света пылью, использованную в работе их оппонентов. Согласно новому исследованию, эта модель требует зависимости от массы галактики-хозяина, направление которой прямо противоположно тенденции, наблюдаемой в крупных выборках галактик. Поэтому учёные считают, что данная часть анализа не имеет достаточной наблюдательной поддержки.

Второй спорный вопрос связан с тем, как рассчитывается сама поправка на возрастное смещение. Она зависит от произведения двух величин: изменения возраста звёзд — предшественников сверхновых с красным смещением и наклона зависимости между возрастом и светимостью сверхновой.

Критическая работа предполагала, что возраст предшественников сверхновых меняется со временем слабее, чем средний возраст звёзд в их галактиках. Однако исследователи из Университета Ёнсе указывают, что уменьшение предполагаемой разницы в возрасте одновременно приводит к увеличению наклона возрастно-световой зависимости, поскольку эта разница входит в знаменатель при его вычислении.

Иными словами, уменьшение одной величины в значительной степени компенсируется увеличением другой. По мнению авторов новой работы, их оппоненты учли возможное уменьшение возрастной эволюции, но не приняли во внимание соответствующее увеличение наклона зависимости.

Если оба эффекта рассматривать последовательно и согласованно, итоговая поправка на возрастное смещение остаётся в значительной степени такой же, как и в предыдущем исследовании группы из Университета Ёнсе. Следовательно, их первоначальный космологический вывод, по мнению авторов, сохраняет свою силу.

Руководитель проекта профессор Ён Ук Ли отметил, что космология сверхновых основывается на важном предположении о том, что калибровочная зависимость светимости, известная как соотношение Филлипса, не изменяется в зависимости от возраста сверхновой. Однако результаты исследований группы, по его словам, последовательно показывают, что это предположение может быть неверным.

«Чтобы защищать столь важное утверждение, как ускоренное расширение Вселенной, необходимо сначала доказать справедливость этого фундаментального предположения», — отметил Ли. По его словам, накопленные наблюдательные данные, напротив, всё сильнее указывают на возможное нарушение этого условия.

Авторы подчёркивают, что результаты анализа сверхновых после внесения возрастной поправки хорошо согласуются с независимыми измерениями барионных акустических осцилляций DESI. Оба подхода, по их мнению, указывают на сценарий, в котором тёмная энергия изменяется со временем, а современное расширение Вселенной уже не ускоряется.

Чтобы окончательно разрешить спор, исследователи предлагают провести так называемый тест без эволюционного смещения. Вместо объединения разнородных популяций сверхновых, средний возраст которых меняется с красным смещением, предлагается использовать только сверхновые в молодых галактиках с близкими возрастами звёздных популяций на всём исследуемом диапазоне расстояний.

Предварительные результаты такого подхода, по данным авторов, согласуются с их предыдущими выводами. В будущем значительно более крупные выборки сверхновых, которые ожидается получить благодаря обсерватории имени Веры Рубин, позволят провести эту проверку с существенно более высокой точностью.

Новые наблюдения могут помочь ответить на один из фундаментальных вопросов современной космологии: какова природа тёмной энергии и действительно ли расширение Вселенной продолжает ускоряться или сегодня уже начинает замедляться.

При этом авторы подчёркивают, что речь пока не идёт об окончательном опровержении стандартной космологической модели. Работа представляет собой продолжение научного спора о том, насколько надёжно сверхновые типа Ia позволяют измерять историю расширения Вселенной и правильно ли учитываются систематические эффекты, связанные с возрастом их звёздных предшественников.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.