Космологический разлад: Что не так с параметром S8?

Автор: Денис Аветисян

Обзор посвящен растущему противоречию между измерениями параметра S8, характеризующего флуктуации плотности во Вселенной, полученными из разных источников.

Анализ расхождений между данными CMB и поздними наблюдениями, такими как слабая гравитационная линза, и обсуждение возможных решений.

Сохраняющееся расхождение между данными о ранней Вселенной, полученными на основе наблюдений космического микроволнового фона, и результатами, полученными с помощью зондирующих методов на поздних стадиях эволюции, представляет собой серьезную проблему для современной космологии. В настоящем обзоре, ‘Status of the $S_8$ Tension: A 2026 Review of Probe Discrepancies’, мы анализируем состояние параметра $S_8$ , характеризующего амплитуду флуктуаций плотности материи, используя обновленные данные за 2026 год, включая результаты Planck, ACT DR6 и SPT-3G. Полученные нами оценки $S_8 = 0.836^{+0.012}_{-0.013}$ выявляют статистически значимые расхождения между различными методами наблюдения, особенно между результатами DES Year 6 и KiDS Legacy. Могут ли эти различия быть объяснены систематическими ошибками в измерениях, или же они указывают на необходимость пересмотра стандартной ΛCDM модели?

Космическая Гармония и Стандартная Модель

Лямбда-CDM модель, являясь на сегодняшний день наиболее общепринятой космологической моделью, успешно описывает широкий спектр наблюдаемых явлений, формируя основу для понимания эволюции Вселенной. Она предполагает, что Вселенная состоит из примерно 5% обычной материи, 27% темной материи и 68% темной энергии, причем последняя отвечает за ускоренное расширение пространства. Эта модель не только объясняет структуру крупномасштабной Вселенной, включая распределение галактик и скоплений галактик, но и предсказывает характеристики космического микроволнового фона — остаточного излучения Большого Взрыва, подтвержденного многочисленными экспериментами. В частности, Лямбда-CDM модель позволяет точно рассчитать параметры Вселенной, такие как ее возраст, плотность и скорость расширения, что согласуется с данными, полученными из различных астрономических наблюдений. Таким образом, она представляет собой краеугольный камень современной космологии, позволяющий строить последовательную картину формирования и развития Вселенной от самых ранних моментов до настоящего времени.

Наблюдаются растущие расхождения между измерениями, полученными на ранних и поздних этапах эволюции Вселенной, что указывает на возможные нестыковки в текущем понимании природы темной энергии и темной материи. Эти расхождения не являются случайными ошибками измерений, а представляют собой систематические различия, которые сохраняются при анализе данных, полученных различными методами и инструментами. В частности, оценки параметра $S_8$ , характеризующего амплитуду флуктуаций плотности, полученные на основе анализа реликтового излучения, отличаются от значений, полученных из наблюдений за крупномасштабной структурой Вселенной в более поздние эпохи. Данные расхождения требуют пересмотра существующих космологических моделей и могут свидетельствовать о необходимости введения новых физических параметров или механизмов, объясняющих наблюдаемые явления.

Полученные данные указывают на растущее несоответствие в оценке параметра S8, который характеризует амплитуду флуктуаций плотности материи во Вселенной. Измерения, выполненные на основе реликтового излучения (CMB), дают значение S8, равное 0.836−0.013+0.012. В то же время, поздние наблюдения, такие как данные Dark Energy Survey (DES), свидетельствуют о значительно более низком значении — 0.789±0.012. Данное расхождение, хотя и не является статистически значимым на уровне, достаточной для немедленного пересмотра стандартной космологической модели, указывает на потенциальные проблемы в понимании природы тёмной энергии и тёмной материи, и требует дальнейших исследований для подтверждения или опровержения отклонений от предсказаний LambdaCDM модели.

Картографирование Вселенной: Методы Измерения Космической Структуры

Слабое гравитационное линзирование является эффективным методом исследования распределения тёмной материи, основанным на измерении искажений изображений фоновых галактик. Эффект возникает из-за того, что массивные объекты, включая тёмную материю, искривляют пространство-время, отклоняя путь света от далёких галактик. Это отклонение приводит к небольшим, но измеримым искажениям формы галактик, наблюдаемым как когерентное выравнивание или сдвиг их эллиптичности. Статистический анализ этих искажений позволяет реконструировать распределение массы, включая вклад тёмной материи, поскольку её гравитационное влияние проявляется в этих искажениях. Чувствительность метода зависит от красного смещения как линзирующих, так и линзированных галактик, а также от плотности распределения тёмной материи вдоль линии визирования. Анализ слабых искажений требует обработки больших объёмов данных и использования сложных статистических методов для отделения сигнала от шума.

Барионные акустические колебания (BAO) представляют собой флуктуации в плотности видимой материи во Вселенной, возникшие в ранней Вселенной из-за звуковых волн в плазме. Эти колебания оставили отпечаток в распределении галактик, проявляющийся как предпочтительная сепарация между галактиками примерно в 150 мегапарсеках. Используя этот эффект как «стандартную линейку», астрономы могут измерять угловой размер этой сепарации на разных красных смещениях, что позволяет определить расстояния до галактик и реконструировать историю расширения Вселенной. Точность измерения расстояний с помощью BAO напрямую связана с точностью определения физического масштаба звуковых волн в ранней Вселенной, который известен из анализа космического микроволнового фона. Наблюдения BAO в больших объемах пространства, полученные в результате масштабных обзоров галактик, предоставляют важные данные для проверки космологических моделей и определения параметров темной энергии.

Искажения в красном смещении (Redshift-Space Distortions, RSD) позволяют оценить скорость роста крупномасштабной структуры Вселенной, анализируя отклонения в наблюдаемых скоростях галактик от их хаббловского потока. Эти отклонения, называемые собственными скоростями, возникают из-за гравитационного притяжения между галактиками и крупномасштабными структурами, такими как скопления и сверхскопления. В частности, галактики в направлении скоплений демонстрируют повышенные скорости вдоль луча зрения, а в противоположных направлениях — пониженные. Количественный анализ этих искажений, с использованием статистических методов, таких как измерение функции корреляции или спектра мощности, позволяет получить информацию о параметре $f(z) = \frac{d \ln D}{d \ln a}$ , который связывает скорость роста структуры с параметром плотности материи и космологической постоянной. Точность измерения $f(z)$ напрямую зависит от точности измерения расстояний до галактик и их красных смещений, а также от учета систематических эффектов, таких как ошибки в оценке космологических параметров.

«Эвклид»: Новая Эра Космических Обзоров

Космический телескоп Euclid предназначен для проведения широкопольного обзора, использующего два основных метода: слабые гравитационные линзы (weak lensing) и барионные акустические осцилляции (BAO). Метод слабых гравитационных линз позволяет измерять искажения изображений далеких галактик, вызванные гравитацией промежуточной массы, тем самым отображая распределение темной материи и ее влияние на пространство-время. Барионные акустические осцилляции, напротив, представляют собой характерный масштаб в распределении галактик, возникший в ранней Вселенной и служащий стандартной линейкой для измерения расстояний. Комбинируя данные, полученные обоими методами, Euclid стремится определить историю расширения Вселенной с беспрецедентной точностью, что позволит уточнить параметры космологической модели ΛCDM и исследовать природу темной энергии.

Комбинирование методов слабого гравитационного линзирования и барионных акустических осцилляций (BAO) в миссии Euclid обеспечивает надежную проверку $\Lambda CDM$ модели. Слабое гравитационное линзирование позволяет картировать распределение темной материи и измерять геометрию Вселенной, в то время как BAO предоставляет стандартную линейку для измерения расстояний и скорости расширения Вселенной. Совместный анализ данных, полученных этими методами, позволяет существенно снизить систематические погрешности и получить более точные ограничения на параметры темной энергии, такие как уравнение состояния $w$ , и определить, является ли темная энергия космологической константой или динамической сущностью, изменяющейся со временем.

Наблюдения космического телескопа «Эвклид» позволят составить более детальную карту распределения темной материи, чем когда-либо ранее. Метод гравитационного линзирования, используемый «Эвклидом», измеряет искажения изображений далеких галактик, вызванные гравитационным воздействием темной материи, что позволяет реконструировать ее распределение. Ожидается, что телескоп зафиксирует миллиарды галактик, что обеспечит беспрецедентную статистическую точность и разрешение для визуализации крупномасштабной структуры Вселенной — так называемой космической паутины, состоящей из филаментов и пустот, определяемых гравитационным притяжением темной материи. Полученные данные позволят проверить предсказания моделей формирования структуры и уточнить понимание роли темной материи в эволюции Вселенной.

За Пределами LambdaCDM: В Поисках Новой Физики

Параметр $S_8$ , определяющий амплитуду флуктуаций плотности материи во Вселенной, играет ключевую роль в проверке стандартной космологической модели ΛCDM и поиске признаков новой физики. Он представляет собой произведение сигма-дисперсии флуктуаций плотности материи на масштабе 8 Мпк и позволяет сравнивать предсказания теории с наблюдаемыми данными на разных стадиях эволюции Вселенной. Расхождения в значениях $S_8$ , полученных из наблюдений космического микроволнового фона (на ранних этапах) и крупномасштабной структуры Вселенной (на поздних этапах), указывают на потенциальные проблемы в рамках ΛCDM и стимулируют разработку альтернативных космологических моделей, способных объяснить эти различия. Точное измерение $S_8$ и анализ его эволюции со временем — важнейший инструмент для понимания фундаментальной природы Вселенной и её компонентов.

Современные космологические измерения выявили заметное расхождение в значениях параметра $S_8$ , который характеризует амплитуду флуктуаций плотности материи. Анализ данных космического микроволнового фона (CMB) дает значение $S_8 = 0.836 - 0.013 + 0.012$ , полученное на основе ранней Вселенной. Однако, результаты, полученные в ходе Dark Energy Survey (DES) Y6, исследующего более поздние стадии эволюции Вселенной, указывают на значение $S_8 = 0.789 \pm 0.012$ . Это расхождение достигает уровня 2.4-2.7 сигма, что указывает на статистически значимое несоответствие между этими двумя независимыми наборами данных и, возможно, свидетельствует о необходимости пересмотра стандартной космологической модели LambdaCDM в пользу новых физических теорий.

Результаты независимых исследований, проведенных с использованием различных наблюдательных данных, последовательно демонстрируют расхождения в оценках параметра $S_8$ , характеризующего амплитуду флуктуаций плотности материи. В частности, проект KiDS Legacy зафиксировал значение $S_8 = 0.815_{-0.021}^{+0.016}$ , в то время как данные, полученные в ходе обзора eROSITA, указывают на $S_8 = 0.860 \pm 0.010$ . Параллельно, анализ скоплений галактик, выполненный в рамках South Pole Telescope (SPT), дает оценку $S_8 = 0.795 \pm 0.029$ . Согласованность этих расхождений, полученных на основе совершенно разных методов и наборов данных, усиливает предположение о необходимости пересмотра стандартной космологической модели LambdaCDM и указывает на возможность существования новой физики, влияющей на эволюцию Вселенной.

Исследования, представленные в обзоре, демонстрируют, как кажущиеся несоответствия в оценке параметра S8, возникающие при сравнении данных космического микроволнового фона и слабых гравитационных линз, заставляют пересматривать фундаментальные модели формирования структуры Вселенной. Подобные расхождения указывают на то, что существующие симуляции, несмотря на всю их сложность, могут не полностью отражать реальные процессы, происходящие в космосе. Как заметил Джеймс Максвелл: «Наука есть упорядоченная система уверенности». Эта фраза особенно актуальна в контексте космологических исследований, где каждая оценка параметра, каждая модель, строится на определенной степени уверенности, которая постоянно подвергается проверке новыми наблюдениями и теоретическими разработками.

Что Дальше?

Напряжение в оценке параметра $S_8$ продолжает оставаться не просто статистической аномалией, но и зеркалом ограниченности текущих космологических моделей. Каждая новая итерация симуляций, каждый уточненный анализ слабых гравитационных линз — это попытка поймать неуловимую тень, которая, кажется, всегда ускользает. Полагать, что систематические ошибки — единственный источник расхождений, было бы наивно; гораздо вероятнее, что мы сталкиваемся с фундаментальными проблемами в понимании формирования крупномасштабной структуры Вселенной.

В ближайшие годы, вероятно, произойдет дальнейшая интенсификация исследований, направленных на более точное измерение $S_8$ с помощью различных методов — от углубленных наблюдений космического микроволнового фона до анализа распределения галактик в огромных объемах пространства. Однако, истинный прогресс потребует не только повышения точности, но и смелости в постановке вопросов. Готовы ли мы признать, что наши представления о темной энергии и темной материи могут быть неполными или ошибочными?

В конечном счете, исследование параметра $S_8$ — это не просто попытка решить конкретную космологическую задачу. Это исследование самих себя, нашей способности строить и проверять теории, описывающие Вселенную. И, как показывает история науки, любая, даже самая элегантная теория, может исчезнуть за горизонтом событий.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.12238.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-13 13:24