Около 13,8 миллиардов лет назад Вселенная началась с быстрого расширения, которое мы называем Большим взрывом. После этого первоначального расширения, которое длилось доли секунды, гравитация начала замедлять Вселенную. Но космос не останется таким. Через девять миллиардов лет после возникновения Вселенной ее расширение начало ускоряться, движимое неизвестной силой, которую ученые назвали темной энергией.
Но что такое темная энергия?
Короткий ответ: мы не знаем. Но мы знаем, что она существует, заставляет Вселенную расширяться с возрастающей скоростью, и примерно от 68,3% до 70% Вселенной состоит из темной материи.
Все началось с цефеид
Темная энергия была открыта только в конце 1990-х годов. Но его начало в научных исследованиях восходит к 1912 году, когда американский астроном Генриетта Суон Ливитт сделала важное открытие, используя переменные цефеид, класс звезд, яркость которых колеблется с регулярностью, зависящей от яркости звезды.
Все звезды цефеид с определенным периодом (период цефеид — это время, необходимое для перехода от яркого состояния к тусклому и снова яркому) имеют одинаковую абсолютную величину или светимость — количество света, которое они излучают. Ливитт измерил эти звезды и доказал, что существует связь между их регулярным периодом яркости и светимостью. Открытия Ливитта позволили астрономам использовать период и светимость звезды для измерения расстояний между нами и звездами-цефеидами в далеких галактиках (и нашем Млечном Пути).
Примерно в это же время астроном Весто Слайфер наблюдал спиральные галактики с помощью спектрографа своего телескопа — устройства, которое разделяет свет на составляющие его цвета, подобно тому, как призма разделяет свет на радугу. Он использовал спектрограф, сравнительно недавнее изобретение того времени, чтобы увидеть свет различной длины, исходящий от галактик, в разных спектральных линиях. Своими наблюдениями Сильфер стал первым астрономом, наблюдавшим, как быстро удаляется от нас галактика, называемая красным смещением, в далеких галактиках. Эти наблюдения окажутся решающими 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, а красный свет имеет самую длинную длину волны. Так, свет, исходящий от удаляющихся от нас объектов, имеет большую длину волны, простираясь к «красному концу» электромагнитного.
Открытие расширяющейся Вселенной
Открытие галактического красного смещения, зависимости периода от светимости переменных цефеид и вновь обретенная способность измерять расстояние до звезды или галактики в конечном итоге сыграло роль в наблюдениях астрономов о том, что галактики со временем удаляются от нас, что показало, как устроена Вселенная. расширяется. В последующие годы разные учёные по всему миру начали соединять части расширяющейся Вселенной.
В 1922 году русский учёный и математик Александр Фридман опубликовал статью, подробно описывающую многочисленные возможности истории Вселенной. Статья, основанная на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1917 году, включала возможность расширения Вселенной.
В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр, который, как говорят, не знал о работе Фридмана, опубликовал статью, в которой также учитывалась общая теория относительности Эйнштейна. И хотя Эйнштейн заявил в своей теории, что Вселенная статична, Леметр показал, как уравнения теории Эйнштейна на самом деле подтверждают идею о том, что Вселенная не статична, а на самом деле расширяется.
Астроном Эдвин Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется в 1929 году, используя наблюдения, сделанные его коллегой, астрономом Милтоном Хьюмасоном. Хьюмасон измерил красное смещение спиральных галактик. Затем Хаббл и Хьюмасон изучали звезды-цефеиды в этих галактиках, используя звезды для определения расстояния до их галактик (или туманностей, как они их называли).
Они сравнили расстояния до этих галактик с их красным смещением и отследили, как чем дальше находится объект, тем больше его красное смещение и тем быстрее он удаляется от нас. Пара обнаружила, что такие объекты, как галактики, удаляются от Земли тем быстрее, чем дальше они находятся, со скоростью более сотен тысяч миль в секунду — наблюдение, теперь известное как закон Хаббла или закон Хаббла-Леметра. Они подтвердили, что Вселенная действительно расширяется.
Расширение ускоряется, показывают сверхновые
Ранее ученые считали, что расширение Вселенной, вероятно, со временем будет замедляться под действием гравитации, и это ожидание подкреплялось общей теорией относительности Эйнштейна. Но в 1998 году все изменилось, когда две разные группы астрономов, наблюдавших за далекими сверхновыми, заметили, что (при определенном красном смещении) звездные взрывы были тусклее, чем ожидалось. Эти группы возглавляли астрономы Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт. За эту работу это трио получило Нобелевскую премию по физике 2011 года.
Хотя тусклые сверхновые, возможно, не кажутся серьезной находкой, эти астрономы рассматривали сверхновые типа 1а, которые, как известно, обладают определенным уровнем светимости. Итак, они знали, что должен быть еще один фактор, заставляющий эти объекты казаться более тусклыми. Ученые могут определить расстояние (и скорость) по яркости объекта, а более тусклые объекты обычно находятся дальше (хотя окружающая пыль и другие факторы могут вызвать затемнение объекта).
Это привело учёных к выводу, что эти сверхновые находились намного дальше, чем они ожидали, глядя на их красное смещение.
Используя яркость объектов, исследователи определили расстояние до этих сверхновых. И используя спектр, они смогли выяснить красное смещение объектов и, следовательно, насколько быстро они удалялись от нас. Они обнаружили, что сверхновые оказались не так близко, как ожидалось, а это означает, что они улетели от нас быстрее, чем ожидалось. Эти наблюдения привели учёных в конечном итоге к выводу, что сама Вселенная со временем должна расширяться быстрее.
В то время как другие возможные объяснения этих наблюдений были изучены, астрономы, изучающие еще более отдаленные сверхновые или другие космические явления в последние годы, продолжали собирать доказательства и укреплять поддержку идеи о том, что Вселенная со временем расширяется быстрее — явление, которое теперь называется космическим ускорением.
Но, выдвигая аргументы в пользу космического ускорения, ученые также задали вопрос: почему? Что может заставлять Вселенную расширяться быстрее с течением времени?
Введите темную энергию.
Что такое темная энергия?
На данный момент темная энергия — это всего лишь название, которое астрономы дали загадочному «чему-то», заставляющему Вселенную расширяться с ускоренной скоростью.
Некоторые описывают темную энергию как эффект отрицательного давления, которое выталкивает пространство наружу. Однако мы не знаем, оказывает ли темная энергия вообще эффект какого-либо типа силы. Существует множество идей о том, чем может быть темная энергия. Вот четыре основных объяснения темной энергии. Имейте в виду, что возможно, что это совсем другое.
Энергия вакуума
Некоторые ученые считают, что темная энергия — это фундаментальная, вездесущая фоновая энергия в космосе, известная как энергия вакуума, которая может быть равна космологической постоянной — математическому термину в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Первоначально константа существовала для того, чтобы уравновешивать гравитацию, в результате чего Вселенная стала статичной. Но когда Хаббл подтвердил, что Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн убрал константу, назвав ее «моей самой большой ошибкой», по словам физика Джорджа Гамова.
Но когда позже было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется, некоторые учёные предположили, что ранее дискредитированная космологическая константа могла иметь ненулевое значение. Они предположили, что эта дополнительная сила будет необходима для ускорения расширения Вселенной. Было высказано предположение, что этот загадочный компонент можно отнести к чему-то, называемому «энергией вакуума», которая представляет собой теоретическую фоновую энергию, пронизывающую все пространство.
Пространство никогда не бывает пустым. Согласно квантовой теории поля, существуют виртуальные частицы или пары частиц и античастиц. Считается, что эти виртуальные частицы нейтрализуют друг друга почти сразу же, как только появляются во Вселенной, и что этот акт появления и исчезновения может стать возможным благодаря «энергии вакуума», которая заполняет космос и выталкивает пространство наружу.
Хотя эта теория была популярной темой для дискуссий, ученые, исследующие этот вариант, подсчитали, сколько энергии вакуума теоретически должно быть в космосе. Они показали, что либо вакуумной энергии должно быть столько, чтобы в самом начале Вселенная расширялась наружу так быстро и с такой силой, что не могли образоваться ни звезды, ни галактики, или… ее не должно было быть совсем. Это означает, что количество вакуумной энергии в космосе должно быть намного меньше, чем в этих предсказаниях. Однако это несоответствие еще предстоит решить, и оно даже заслужило прозвище «проблема космологической постоянной».
Квинтэссенция
Некоторые ученые полагают, что темная энергия может быть разновидностью энергетической жидкости или поля, которая заполняет пространство, ведет себя противоположно обычной материи и может различаться по своему количеству и распределению как во времени, так и в пространстве. Эту гипотетическую версию темной энергии назвали квинтэссенцией в честь теоретического пятого элемента, обсуждавшегося древнегреческими философами.
Некоторые ученые даже предположили, что квинтэссенция может быть некой комбинацией темной энергии и темной материи, хотя в настоящее время эти два понятия считаются совершенно отдельными друг от друга. Хотя оба эти явления являются главными загадками для ученых, считается, что темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной.
Космические морщины
Некоторые ученые полагают, что темная энергия может быть своего рода дефектом в ткани самой Вселенной; дефекты, такие как космические струны, которые представляют собой гипотетические одномерные «морщины», которые, как считается, образовались в ранней Вселенной.
Ошибка в общей теории относительности
Некоторые ученые считают, что темная энергия — это не что-то физическое, что мы можем открыть. Скорее, они думают, что могут возникнуть проблемы с общей теорией относительности и теорией гравитации Эйнштейна, а также с тем, как она работает в масштабах наблюдаемой Вселенной. В рамках этого объяснения ученые полагают, что можно изменить наше понимание гравитации таким образом, чтобы объяснить наблюдения за Вселенной, сделанные без необходимости использования темной энергии. Эйнштейн фактически предложил такую идею в 1919 году, названную унимодулярной гравитацией, модифицированной версией общей теории относительности, которая, по мнению сегодняшних учёных, не потребует тёмной энергии для понимания Вселенной.
Будущее
Темная энергия – одна из величайших загадок Вселенной. На протяжении десятилетий учёные выдвигали теории о нашей расширяющейся Вселенной. Теперь, впервые, у нас есть достаточно мощные инструменты, чтобы проверить эти теории и по-настоящему исследовать большой вопрос: «Что такое темная энергия?»
НАСА играет решающую роль в миссии ЕКА (Европейского космического агентства) «Евклид» (запущенной в 2023 году), которая создаст трехмерную карту Вселенной, чтобы увидеть, как материя с течением времени разрывалась на части темной энергией. Эта карта будет включать в себя наблюдения за миллиардами галактик, обнаруженных на расстоянии до 10 миллиардов световых лет от Земли.
Космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на май 2027 года, предназначен для исследования темной энергии, среди многих других научных тем, а также создаст трехмерную карту темной материи. Разрешение Романа будет таким же резким, как у космического телескопа Хаббла НАСА, но с полем зрения в 100 раз большим, что позволит ему захватывать более обширные изображения Вселенной. Это позволит ученым составить карту структуры и распределения материи во Вселенной, а также изучить, как темная энергия ведет себя и меняется с течением времени. Роман также проведет дополнительное исследование для обнаружения сверхновых типа Ia.
В дополнение к миссиям и усилиям НАСА, Обсерватория Веры К. Рубин, поддерживаемая большим сотрудничеством, включающим Национальный научный фонд США, который в настоящее время строится в Чили, также готова поддержать наше растущее понимание темной энергии. Ожидается, что наземная обсерватория заработает в 2025 году.
Совместные усилия Евклида, Романа и Рубина откроют новый «золотой век» космологии, в котором ученые соберут более подробную, чем когда-либо, информацию о великих загадках темной энергии.
Кроме того, космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба (запущенный в 2021 году), самый мощный и крупнейший космический телескоп в мире, призван внести вклад в несколько областей исследований и внесет свой вклад в изучение темной энергии.
Миссия НАСА SPHEREx (Спектрофотометр для истории Вселенной, эпохи реионизации и исследования льдов), запуск которой запланирован не позднее апреля 2025 года, направлена на исследование происхождения Вселенной. Ученые ожидают, что данные, собранные с помощью SPHEREx, который будет исследовать все небо в ближнем инфракрасном диапазоне, включая более 450 миллионов галактик, могут помочь углубить наше понимание темной энергии.
НАСА также поддерживает гражданский научный проект под названием «Исследователи темной энергии», который позволяет любому человеку в мире, даже тем, кто не имеет научной подготовки, помочь в поиске ответов на вопросы, связанные с темной энергией.
И наконец, чтобы уточнить: темная энергия — это не то же самое, что темная материя. Их главное сходство в том, что мы пока не знаем, что они собой представляют.
