Що таке темна енергія? Розповіли в НАСА

Що таке темна енергія, завдяки якій наш Всесвіт розширюється з прискоренням; чому вона так називається та чим може бути.

Про це розповідає Челсі Годд з Лабораторії реактивного руху НАСА, передають OstanniPodii.com.

Близько 13,8 мільярда років тому Всесвіт розпочався зі стрімкого розширення, яке ми називаємо Великим вибухом. Після цього початкового розширення, яке тривало долі секунди, гравітація почала сповільнювати Всесвіт. Але космос не зміг залишатися таким. Через дев′ять мільярдів років після початку існування Всесвіту його розширення почало прискорюватися під впливом невідомої сили, яку вчені назвали темною енергією.

Але що таке темна енергія?

Коротка відповідь така: ми не знаємо. Але ми знаємо, що вона існує, що вона змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням, і що приблизно від 68,3 до 70% Всесвіту – це темна енергія.

Коротка історія

Все почалося з цефеїд

Темна енергія була відкрита лише наприкінці 1990-х років. Але її витоки в наукових дослідженнях сягають 1912 року, коли американська астрономка Генрієтта Свон Левітт зробила важливе відкриття, використовуючи змінні цефеїди – клас зір, чия яскравість коливається з регулярністю, що залежить від яскравості зорі.

Усі зорі-цефеїди з певним періодом (період цефеїди – це час, за який зоря переходить від яскравого стану до тьмяного та знову яскравого) мають однакову абсолютну зоряну величину, або світність – кількість світла, яке вони випромінюють. Левітт виміряла ці зорі й довела, що існує зв′язок між їхнім регулярним періодом яскравості та світністю. Висновки Левітт дозволили астрономам використовувати період і світність зорі для вимірювання відстаней між нами та зорями-цефеїдами у далеких галактиках (і нашим Чумацьким Шляхом).

Приблизно в цей же час астроном Весто Слайфер спостерігав спіральні галактики за допомогою спектрографа свого телескопа – пристрою, який розщеплює світло на кольори, з яких воно складається, подібно до того, як призма розщеплює світло на веселку. Він використовував спектрограф, відносно недавній на той час винахід, щоб побачити різні довжини хвиль світла, що надходить від галактик у різних спектральних лініях. Завдяки своїм спостереженням Слайфер був першим астрономом, який помітив, як швидко галактика віддаляється від нас, що називається червоним зміщенням, для далеких галактик. Ці спостереження виявилися критично важливими для багатьох майбутніх наукових проривів, включаючи відкриття темної енергії.

Червоне зміщення – це термін, який використовується, коли астрономічні об′єкти віддаляються від нас і світло, що йде від цих об′єктів, розтягується. Світло поводиться як хвиля, а червоне світло має найбільшу довжину хвилі. Отже, світло, що йде від об′єктів, які віддаляються від нас, має більшу довжину хвилі, розтягуючись до "червоного кінця" електромагнітного поля.

Відкриття розширення Всесвіту

Відкриття червоного зміщення галактик, залежності періоду від світності змінних цефеїд і нова можливість виміряти відстань до зорі чи галактики зрештою допомогли астрономам помітити, що галактики з часом віддаляються від нас, що свідчило про те, що Всесвіт розширюється. У наступні роки різні вчені по всьому світу почали збирати шматочки розширюваного Всесвіту докупи.

У 1922 році російський вчений і математик Олександр Фрідман опублікував статтю, в якій детально описав кілька варіантів історії Всесвіту. Стаття, яка ґрунтувалася на теорії загальної відносності Альберта Ейнштейна, опублікованій у 1917 році, включала можливість того, що Всесвіт розширюється.

У 1927 році бельгійський астроном Жорж Леметр, який, як кажуть, не знав про роботу Фрідмана, опублікував статтю, що також враховувала теорію загальної відносності Ейнштейна. І хоча Ейнштейн стверджував у своїй теорії, що Всесвіт є статичним, Леметр показав, як рівняння в теорії Ейнштейна насправді підтримують ідею, що Всесвіт не є статичним, а насправді розширюється.

Астроном Едвін Габбл підтвердив, що Всесвіт розширюється, у 1929 році, використовуючи спостереження, зроблені його колегою, астрономом Мілтоном Г′юмасоном. Г′юмасон вимірював червоне зміщення спіральних галактик. Потім Габбл і Г′юмасон вивчали зорі-цефеїди в цих галактиках, використовуючи їх для визначення відстані до своїх галактик (або туманностей, як вони їх називали). Вони порівняли відстані цих галактик з їхнім червоним зміщенням і простежили, що чим далі знаходиться об′єкт, тим більше його червоне зміщення й тим швидше він віддаляється від нас. Вони виявили, що такі об′єкти, як галактики, віддаляються від Землі тим швидше, чим далі вони знаходяться, зі швидкістю понад сотні тисяч кілометрів на секунду – це спостереження тепер відоме як закон Габбла, або закон Габбла-Леметра. Вони підтвердили, що Всесвіт дійсно розширюється.

Розширення Всесвіту прискорюється, показують наднові

Раніше вчені вважали, що розширення Всесвіту з часом буде сповільнюватися під дією гравітації, що підтверджувалося теорією загальної відносності Ейнштейна. Але у 1998 році все змінилося, коли дві різні групи астрономів, які спостерігали за далекими надновими, помітили, що (при певному червоному зміщенні) зоряні вибухи були тьмянішими, ніж очікувалося. Ці групи очолювали астрономи Адам Рісс, Сол Перлмуттер і Браян Шмідт. За цю роботу тріо отримало Нобелівську премію з фізики 2011 року.

Хоча тьмяні наднові можуть здатися не надто великою знахідкою, ці астрономи досліджували наднові типу Ia, які, як відомо, мають певний рівень світності. Тому вони знали, що має бути ще один фактор, який змушує ці об′єкти здаватися тьмянішими. Вчені можуть визначити відстань (і швидкість) за яскравістю об′єкта, а тьмяні об′єкти, як правило, знаходяться далі (хоча навколишній пил та інші фактори можуть спричинити тьмяність об′єкта).

Це привело вчених до висновку, що ці наднові були набагато далі, ніж вони очікували, дивлячись на їхні червоні зміщення.

Використовуючи яскравість об′єктів, дослідники визначили відстань до цих наднових. А використовуючи спектр, вони змогли визначити червоне зміщення об′єктів і, отже, швидкість їхнього віддалення від нас. Вони виявили, що наднові були не так близько, як очікувалося, а це означає, що вони віддалялися від нас швидше, ніж передбачалося. Ці спостереження привели вчених до остаточного висновку, що сам Всесвіт повинен з часом розширюватися швидше.

У той час як інші можливі пояснення цих спостережень досліджувалися, астрономи, які вивчали ще більш віддалені наднові або інші космічні явища останніми роками, продовжували збирати докази й будувати підтримку ідеї про те, що Всесвіт розширюється швидше з плином часу – явище, яке зараз називається космічним прискоренням.

Але в міру того, як вчені створювали докази на користь космічного прискорення, вони також вдавалися в питання: Чому? Що могло б змусити Всесвіт розширюватися швидше з часом?

Вводимо темну енергію.

Що саме таке темна енергія?

Наразі темна енергія – це лише назва, яку астрономи дали таємничому "чомусь", що змушує всесвіт розширюватися з прискореною швидкістю.

Дехто описує темну енергію як ефект негативного тиску, що виштовхує простір назовні. Однак ми не знаємо, чи темна енергія взагалі має вплив будь-якого типу сили. Існує багато ідей про те, чим може бути темна енергія. Ось чотири провідні пояснення темної енергії. Майте на увазі, що цілком можливо, що це щось зовсім інше.

Енергія вакууму:

Деякі вчені вважають, що темна енергія – це фундаментальна, постійно присутня фонова енергія в космосі, відома як енергія вакууму, яка може дорівнювати космологічній сталій, математичному терміну в рівняннях загальної теорії відносності Ейнштейна. Спочатку стала існувала для врівноваження гравітації, що призводило до статичності Всесвіту. Але коли Габбл підтвердив, що Всесвіт насправді розширюється, Ейнштейн вилучив сталу, назвавши це "моєю найбільшою помилкою", за словами фізика Джорджа Гамова.

Але коли пізніше було виявлено, що розширення Всесвіту насправді прискорюється, деякі вчені припустили, що може існувати ненульове значення раніше дискредитованої космологічної сталої. Вони припустили, що ця додаткова сила була б необхідна для прискорення розширення Всесвіту. Теоретично цей загадковий компонент можна пояснити так званою "енергією вакууму", яка є теоретичною фоновою енергією, що пронизує весь простір.

Простір ніколи не буває абсолютно порожнім. Згідно з квантовою теорією поля, існують віртуальні частинки, або пари частинок та античастинок. Вважається, що ці віртуальні частинки знищують одна одну майже одразу, як тільки з′являються у Всесвіті, і що цей акт появи й зникнення може бути уможливлений "енергією вакууму", яка наповнює космос і виштовхує простір назовні.

Хоча ця теорія була популярною темою для дискусій, вчені, які досліджували цей варіант, підрахували, скільки теоретично має бути енергії вакууму в космосі. Вони показали, що енергії вакууму має бути або стільки, що на самому початку всесвіт розширився б назовні так швидко й з такою силою, що не змогли б утворитися ні зорі, ні галактики, або... її не повинно бути абсолютно ніякої. Це означає, що кількість енергії вакууму в космосі має бути набагато меншою, ніж у цих прогнозах. Однак ця розбіжність досі не вирішена й навіть отримала прізвисько "проблема космологічної сталої".

Квінтесенція:

Деякі вчені вважають, що темна енергія може бути різновидом енергетичної рідини або поля, яке заповнює простір, поводиться протилежним чином, ніж звичайна матерія, і може змінювати свою кількість та розподіл у часі та просторі. Цю гіпотетичну версію темної енергії прозвали квінтесенцією на честь теоретичного п′ятого елемента, про який говорили давньогрецькі філософи.

Деякі вчені навіть припускають, що квінтесенція може бути певною комбінацією темної енергії та темної матерії, хоча зараз вони вважаються повністю відокремленими одна від одної. Хоча вони обидві є головними загадками для вчених, вважається, що темна матерія становить близько 85% всієї матерії у Всесвіті.

Космічні зморшки:

Деякі вчені вважають, що темна енергія може бути своєрідним дефектом у тканині самого Всесвіту; дефектом, подібним до космічних струн, які є гіпотетичними одновимірними "зморшками", що, як вважається, утворилися в ранньому всесвіті.

Недолік загальної теорії відносності:

Деякі вчені вважають, що темна енергія не є чимось фізичним, що ми можемо відкрити. Скоріше, вони вважають, що тут може бути проблема із загальною теорією відносності та теорією гравітації Ейнштейна та тим, як вона працює в масштабах спостережуваного Всесвіту. В рамках цього пояснення вчені вважають, що можна модифікувати наше розуміння гравітації таким чином, щоб пояснити спостереження Всесвіту, зроблені без потреби в темній енергії. Ейнштейн запропонував таку ідею у 1919 році, назвавши її унімодулярною гравітацією – модифікованою версією загальної теорії відносності, яка, на думку сучасних вчених, не потребує темної енергії для пояснення Всесвіту.

Майбутнє

Темна енергія – одна з найбільших загадок Всесвіту. Десятиліттями вчені будували теорії про наш розширюваний Всесвіт. Тепер, вперше в історії, ми маємо достатньо потужні інструменти, щоб перевірити ці теорії на практиці та по-справжньому дослідити це велике питання: "Що таке темна енергія?"

ЄКА (Європейське космічне агентство) спільно з НАСА запустило у 2023 році місію Euclid, яка створить 3D-карту Всесвіту, щоб побачити, як з плином часу матерія розривається на частини темною енергією. Ця карта включатиме спостереження за мільярдами галактик, знайдених на відстані до 10 мільярдів світлових років від Землі.

Космічний телескоп НАСА "Ненсі Грейс Роман", запуск якого запланований на травень 2027 року, серед багатьох інших наукових тем, призначений для дослідження темної енергії, а також для створення 3D-карти темної матерії. Роздільна здатність "Грейс Роман" буде такою ж чіткою, як у космічного телескопа "Габбл", але з полем зору у 100 разів більшим, що дозволить йому отримувати більш об′ємні зображення Всесвіту. Це дозволить вченим скласти карту того, як матерія структурована й поширена у Всесвіті, а також дослідити, як поводиться темна енергія та як вона змінюється з плином часу. "Роман" також проведе додаткове дослідження для виявлення наднових типу Ia.

На додаток до космічних місій, обсерваторія ім. Віри К. Рубін, яка зараз будується в Чилі, також готова підтримати наше зростання у розумінні темної енергії. Очікується, що наземна обсерваторія запрацює у 2025 році.

Спільні зусилля Евкліда, Роман і Рубін відкриють новий "золотий вік" космології, в якому вчені зберуть більш детальну інформацію про великі таємниці темної енергії, ніж будь-коли.

Крім того, космічний телескоп Джеймса Вебба (запущений у 2021 році), найпотужніший і найбільший космічний телескоп у світі, має на меті зробити внесок у кілька напрямків досліджень і сприятиме вивченню темної енергії.

Місія НАСА SPHEREx (Спектрофотометр для вивчення історії Всесвіту, епохи реіонізації та льодів), запуск якої запланований не пізніше квітня 2025 року, має на меті дослідити походження Всесвіту. Вчені очікують, що дані, зібрані за допомогою SPHEREx, який огляне все небо в ближньому інфрачервоному діапазоні, включаючи понад 450 мільйонів галактик, можуть допомогти поглибити наше розуміння темної енергії.

NASA також підтримує громадський науковий проєкт під назвою "Дослідники темної енергії", який дозволяє будь-кому в світі, навіть тим, хто не має наукової підготовки, допомогти у пошуку відповідей на запитання про темну енергію.

• розширення Всесвіту