Темная энергия и темная материя могут быть связаны: новая теория объясняет аномалии Вселенной
Последние наблюдения показывают, что темная энергия, загадочная сила, расширяющая Вселенную, меняется со временем. Это заставило физиков задуматься: а не меняется ли и темная материя? И, возможно, эти две величайшие загадки космоса связаны друг с другом.
Согласно современным оценкам, темная энергия составляет около 70% всего содержимого Вселенной, темная материя — еще 25%. Обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами, — лишь жалкие 5%. Но если темная энергия и темная материя доминируют в космосе, мы почти ничего о них не знаем. Они не излучают, не отражают и не поглощают свет. Их невозможно наблюдать напрямую. Их главная общая черта — неуловимость.
Однако в 2024 году исследовательская коллаборация DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) нашла доказательства того, что сила темной энергии — так называемая космологическая постоянная — не постоянна. Она меняется со временем. Исследование 2025 года с удвоенным объемом данных подтвердило: темная энергия ослабевает. Примерно 2 миллиарда лет назад она достигла максимума и начала уменьшаться.
Это открытие поставило ученых перед парадоксом. Если темная энергия когда-то была сильнее, это означает, что она нарушала закон сохранения энергии. Физики описывают это как «фантомный режим» — ситуацию, когда энергия ведет себя так, будто черпает силу из ниоткуда. Это похоже на шар, катящийся в гору без видимой причины.
Единая теория темной Вселенной
Растущее число теоретиков ищет ответ в идее, которая раньше считалась маргинальной: темная энергия и темная материя взаимодействуют. «Можно представить случай, когда одно влияет на другое, — говорит физик Тим Тейт из Калифорнийского университета в Ирвайне. — И было бы неудивительно, если бы они оказались проявлениями единой теории темной Вселенной».
В 2005 году физик Джастин Хури из Пенсильванского университета исследовал такую возможность. Он и его коллеги задались вопросом: может ли существовать форма темной энергии, плотность которой увеличивается со временем? Они нашли, что взаимодействие темной энергии и темной материи может создать поведение, похожее на «фантомное». «Это самый естественный способ достичь этого», — говорит Хури.
Два десятилетия спустя, когда DESI обнаружил, что темная энергия может меняться, Хури и его коллеги построили модель на основе квантовой хромодинамики — краеугольной теории физики частиц. В их модели плотность темной энергии и масса темной материи меняются согласованно.
Темное измерение
Если темная энергия и темная материя действительно взаимодействуют, это может означать, что у них общее происхождение. И теория струн, возможно, указывает, как именно.
В 2019 году физик Кумрун Вафа из Гарварда и его коллеги предположили существование так называемого «темного измерения» — дополнительного пространственного измерения, которое значительно больше остальных. Если гравитоны — гипотетические частицы, переносящие гравитацию — проникают в это измерение, они приобретают массу и становятся темными гравитонами. Эти массивные частицы могут выполнять роль темной материи.
В этой модели изменения размера темного измерения влияют и на темную энергию, и на темную материю. «Существует очень естественная связь между темной энергией и темной материей», — говорит физик Джордж Обид из Чикагского университета.
В июле 2025 года Обид, Вафа и их коллеги показали, что их модель согласуется с данными DESI. Она предсказывает, что сила темной энергии и масса темной материи будут уменьшаться со временем, причем скорость изменения темной энергии пропорциональна ее плотности. Поскольку плотность темной энергии чрезвычайно мала, изменения происходят очень медленно. «Неудивительно, что мы не видели этого раньше, — говорит Вафа. — Нам пришлось ждать весь возраст Вселенной, чтобы обнаружить что-то настолько маленькое».
Как проверить теорию
Если темная материя связана с темной энергией, темные материи могут взаимодействовать друг с другом через новую, дальнодействующую силу, отдельную от гравитации. Это можно проверить астрофизически. В 2006 году физики Марк Камионковски и Майкл Кесден предложили способ: если две галактики проходят близко друг к другу, и темная материя имеет более сильное гравитационное притяжение к другой темной материи, чем к обычной, за одной из галактик образуется особый «приливный хвост» — вытянутый поток звезд и газа. Они не нашли такого эффекта, что позволило установить верхний предел на возможную силу дополнительного притяжения. Этот предел оказался примерно в 20 раз больше предсказаний теории Вафы, что оставляет пространство для теории.
Понимание темной энергии и темной материи и возможной связи между ними — сложнейшая задача, говорит Обид. «И я думаю, очень полезно подходить к этому с разных сторон — из наблюдательной космологии, физики частиц, теории струн. Это то, как люди должны заниматься наукой. Это работа физиков-теоретиков — исследовать все возможное. И в конце концов, данные помогут нам выбрать правильный путь».
