Что такое темная энергия? Рассказали в НАСА

Что такое темная энергия, благодаря которой наша Вселенная расширяется с ускорением; почему она так называется и чем может быть.

Об этом рассказывает Челси Годд из Лаборатории реактивного движения НАСА, передают OstanniPodii.com.

Около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная началась со стремительного расширения, которое мы называем Большим взрывом. После этого начального расширения, которое длилось доли секунды, гравитация начала замедлять Вселенную. Но космос не смог оставаться таким. Через девять миллиардов лет после начала существования Вселенной ее расширение начало ускоряться под воздействием неизвестной силы, которую ученые назвали темной энергией.

Но что такое темная энергия?

Короткий ответ таков: мы не знаем. Но мы знаем, что она существует, что она заставляет Вселенную расширяться с ускорением, и что примерно от 68,3 до 70% Вселенной – это темная энергия.

Краткая история

Все началось с цефеид

Темная энергия была открыта лишь в конце 1990-х годов. Но ее истоки в научных исследованиях восходят к 1912 году, когда американский астроном Генриетта Свон Левитт сделала важное открытие, используя переменные цефеиды – класс звезд, чья яркость колеблется с регулярностью, зависящей от яркости звезды.

Все звезды-цефеиды с определенным периодом (период цефеиды – это время, за которое звезда переходит от яркого состояния к тусклому и снова яркому) имеют одинаковую абсолютную звездную величину, или светимость – количество света, которое они излучают. Левитт измерила эти звезды и доказала, что существует связь между их регулярным периодом яркости и светимостью. Выводы Левитт позволили астрономам использовать период и светимость звезды для измерения расстояний между нами и звездами-цефеидами в далеких галактиках (и нашим Млечным Путем).

Примерно в это же время астроном Весто Слайфер наблюдал спиральные галактики с помощью спектрографа своего телескопа – устройства, которое расщепляет свет на цвета, из которых он состоит, подобно тому, как призма расщепляет свет на радугу. Он использовал спектрограф, относительно недавнее на то время изобретение, чтобы увидеть различные длины волн света, исходящего от галактик в различных спектральных линиях. Благодаря своим наблюдениям Слайфер был первым астрономом, который заметил, как быстро галактика удаляется от нас, что называется красным смещением, для далеких галактик. Эти наблюдения оказались критически важными для многих будущих научных прорывов, включая открытие темной энергии.

Красное смещение – это термин, используемый, когда астрономические объекты удаляются от нас и свет, исходящий от этих объектов, растягивается. Свет ведет себя как волна, и красный свет имеет наибольшую длину волны. Следовательно, свет, идущий от удаляющихся от нас объектов, имеет большую длину волны, растягиваясь до "красного конца" электромагнитного поля.

Открытие расширения Вселенной

Открытие красного смещения галактик, зависимости периода от светимости переменных цефеид и новая возможность измерить расстояние до звезды или галактики в конечном итоге помогли астрономам заметить, что галактики со временем удаляются от нас, что свидетельствовало о том, что Вселенная расширяется. В последующие годы различные ученые по всему миру начали собирать кусочки расширяющейся Вселенной вместе.

В 1922 году российский ученый и математик Александр Фридман опубликовал статью, в которой подробно описал несколько вариантов истории Вселенной. Статья, которая основывалась на теории общей относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1917 году, включала возможность того, что Вселенная расширяется.

В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр, который, как говорят, не знал о работе Фридмана, опубликовал статью, которая также учитывала теорию общей относительности Эйнштейна. И хотя Эйнштейн утверждал в своей теории, что Вселенная является статичной, Леметр показал, как уравнения в теории Эйнштейна на самом деле поддерживают идею, что Вселенная не является статичной, а на самом деле расширяется.

Астроном Эдвин Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется, в 1929 году, используя наблюдения, сделанные его коллегой, астрономом Милтоном Хьюмасоном. Хьюмасон измерял красное смещение спиральных галактик. Затем Хаббл и Хьюмасон изучали звезды-цефеиды в этих галактиках, используя их для определения расстояния до своих галактик (или туманностей, как они их называли). Они сравнили расстояния этих галактик с их красным смещением и проследили, что чем дальше находится объект, тем больше его красное смещение и тем быстрее он удаляется от нас. Они обнаружили, что такие объекты, как галактики, удаляются от Земли тем быстрее, чем дальше они находятся, со скоростью более сотни тысяч километров на секунду – это наблюдение теперь известно как закон Хаббла, или закон Хаббла-Леметра. Они подтвердили, что Вселенная действительно расширяется.

Расширение Вселенной ускоряется, показывают сверхновые

Ранее ученые считали, что расширение Вселенной со временем будет замедляться под действием гравитации, что подтверждалось теорией общей относительности Эйнштейна. Но в 1998 году все изменилось, когда две разные группы астрономов, наблюдавшие за далекими сверхновыми, заметили, что (при определенном красном смещении) звездные взрывы были более тусклыми, чем ожидалось. Эти группы возглавляли астрономы Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт. За эту работу трио получило Нобелевскую премию по физике 2011 года.

Хотя тусклые сверхновые могут показаться не слишком большой находкой, эти астрономы исследовали сверхновые типа Ia, которые, как известно, имеют определенный уровень светимости. Поэтому они знали, что должен быть еще один фактор, который заставляет эти объекты казаться более тусклыми. Ученые могут определить расстояние (и скорость) по яркости объекта, а тусклые объекты, как правило, находятся дальше (хотя окружающая пыль и другие факторы могут вызвать тусклость объекта).

Это привело ученых к выводу, что эти сверхновые были намного дальше, чем они ожидали, глядя на их красные смещения.

Используя яркость объектов, исследователи определили расстояние до этих сверхновых. А используя спектр, они смогли определить красное смещение объектов и, следовательно, скорость их удаления от нас. Они обнаружили, что сверхновые были не так близко, как ожидалось, а это означает, что они удалялись от нас быстрее, чем предполагалось. Эти наблюдения привели ученых к окончательному выводу, что сама Вселенная должна со временем расширяться быстрее.

В то время как другие возможные объяснения этих наблюдений исследовались, астрономы, изучавшие еще более отдаленные сверхновые или другие космические явления в последние годы, продолжали собирать доказательства и строить поддержку идеи о том, что Вселенная расширяется быстрее с течением времени – явление, которое сейчас называется космическим ускорением.

Но по мере того, как ученые создавали доказательства в пользу космического ускорения, они также задавались вопросами: Почему? Что могло бы заставить Вселенную расширяться быстрее со временем?

Вводим темную энергию.

Что именно такое темная энергия?

Сейчас темная энергия – это лишь название, которое астрономы дали таинственному "чему-то", что заставляет вселенную расширяться с ускоренной скоростью.

Некоторые описывают темную энергию как эффект отрицательного давления, выталкивающего пространство наружу. Однако мы не знаем, имеет ли темная энергия вообще влияние какого-либо типа силы. Существует много идей о том, чем может быть темная энергия. Вот четыре ведущих объяснения темной энергии. Имейте в виду, что вполне возможно, что это что-то совсем другое.

Энергия вакуума:

Некоторые ученые считают, что темная энергия – это фундаментальная, постоянно присутствующая фоновая энергия в космосе, известная как энергия вакуума, которая может быть равна космологической постоянной, математическому термину в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Первоначально постоянная существовала для уравновешивания гравитации, что приводило к статичности Вселенной. Но когда Хаббл подтвердил, что Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн удалил постоянную, назвав это "моей самой большой ошибкой", по словам физика Джорджа Гамова.

Но когда позже было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется, некоторые ученые предположили, что может существовать ненулевое значение ранее дискредитированной космологической постоянной. Они предположили, что эта дополнительная сила была бы необходима для ускорения расширения Вселенной. Теоретически этот загадочный компонент можно объяснить так называемой "энергией вакуума", которая является теоретической фоновой энергией, пронизывающей все пространство.

Пространство никогда не бывает абсолютно пустым. Согласно квантовой теории поля, существуют виртуальные частицы, или пары частиц и античастиц. Считается, что эти виртуальные частицы уничтожают друг друга почти сразу, как только появляются во Вселенной, и что этот акт появления и исчезновения может быть возможен "энергией вакуума", которая наполняет космос и выталкивает пространство наружу.

Хотя эта теория была популярной темой для дискуссий, ученые, исследовавшие этот вариант, подсчитали, сколько теоретически должно быть энергии вакуума в космосе. Они показали, что энергии вакуума должно быть либо столько, что в самом начале вселенная расширилась бы наружу так быстро и с такой силой, что не смогли бы образоваться ни звезды, ни галактики, либо... её не должно быть абсолютно никакой. Это означает, что количество энергии вакуума в космосе должно быть намного меньше, чем в этих прогнозах. Однако это расхождение до сих пор не решено и даже получило прозвище "проблема космологической постоянной".

Квинтэссенция:

Некоторые ученые считают, что темная энергия может быть разновидностью энергетической жидкости или поля, которое заполняет пространство, ведет себя противоположным образом, чем обычная материя, и может менять свое количество и распределение во времени и пространстве. Эту гипотетическую версию темной энергии прозвали квинтэссенцией в честь теоретического пятого элемента, о котором говорили древнегреческие философы.

Некоторые ученые даже предполагают, что квинтэссенция может быть некой комбинацией темной энергии и темной материи, хотя сейчас они считаются полностью отделенными друг от друга. Хотя они обе являются главными загадками для ученых, считается, что темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной.

Космические морщины:

Некоторые ученые считают, что темная энергия может быть своеобразным дефектом в ткани самой Вселенной; дефектом, подобным космическим струнам, которые являются гипотетическими одномерными "морщинами", которые, как считается, образовались в ранней вселенной.

Недостаток общей теории относительности:

Некоторые ученые считают, что темная энергия не является чем-то физическим, что мы можем открыть. Скорее, они считают, что здесь может быть проблема с общей теорией относительности и теорией гравитации Эйнштейна и тем, как она работает в масштабах наблюдаемой Вселенной. В рамках этого объяснения ученые считают, что можно модифицировать наше понимание гравитации таким образом, чтобы объяснить наблюдения Вселенной, сделанные без потребности в темной энергии. Эйнштейн предложил такую идею в 1919 году, назвав ее унимодулярной гравитацией – модифицированной версией общей теории относительности, которая, по мнению современных ученых, не нуждается в темной энергии для объяснения Вселенной.

Будущее

Темная энергия – одна из самых больших загадок Вселенной. Десятилетиями ученые строили теории о нашей расширяющейся Вселенной. Теперь, впервые в истории, мы имеем достаточно мощные инструменты, чтобы проверить эти теории на практике и по-настоящему исследовать этот большой вопрос: "Что такое темная энергия?"

ЕКА (Европейское космическое агентство) совместно с НАСА запустило в 2023 году миссию Euclid, которая создаст 3D-карту Вселенной, чтобы увидеть, как с течением времени материя разрывается на части темной энергией. Эта карта будет включать наблюдения за миллиардами галактик, найденных на расстоянии до 10 миллиардов световых лет от Земли.

Космический телескоп НАСА "Нэнси Грейс Роман", запуск которого запланирован на май 2027 года, среди многих других научных тем, предназначен для исследования темной энергии, а также для создания 3D-карты темной материи. Разрешение "Грейс Роман" будет таким же четким, как у космического телескопа "Хаббл", но с полем зрения в 100 раз больше, что позволит ему получать более объемные изображения Вселенной. Это позволит ученым составить карту того, как материя структурирована и распространена во Вселенной, а также исследовать, как ведет себя темная энергия и как она меняется с течением времени. "Роман" также проведет дополнительное исследование для выявления сверхновых типа Ia.

В дополнение к космическим миссиям, обсерватория им. Веры К. Рубин, которая сейчас строится в Чили, также готова поддержать наш рост в понимании темной энергии. Ожидается, что наземная обсерватория заработает в 2025 году.

Совместные усилия Евклида, Роман и Рубин откроют новый "золотой век" космологии, в котором ученые соберут более подробную информацию о великих тайнах темной энергии, чем когда-либо.

Кроме того, космический телескоп Джеймса Уэбба (запущен в 2021 году), самый мощный и самый большой космический телескоп в мире, имеет целью внести вклад в несколько направлений исследований и будет способствовать изучению темной энергии.

Миссия НАСА SPHEREx (Спектрофотометр для изучения истории Вселенной, эпохи реионизации и льдов), запуск которой запланирован не позднее апреля 2025 года, имеет целью исследовать происхождение Вселенной. Ученые ожидают, что данные, собранные с помощью SPHEREx, который осмотрит все небо в ближнем инфракрасном диапазоне, включая более 450 миллионов галактик, могут помочь углубить наше понимание темной энергии.

NASA также поддерживает общественный научный проект под названием "Исследователи темной энергии", который позволяет любому в мире, даже тем, кто не имеет научной подготовки, помочь в поиске ответов на вопросы о темной энергии.