Остатки сверхновой типа Ia — своего рода взрывающейся звезды, используемой для измерения расстояний во Вселенной. Авторы и права: НАСА / CXC / Техасский университет, CC BY
Из чего состоит Вселенная? Этот вопрос волновал астрономов на протяжении сотен лет.
В течение последней четверти века ученые считали, что «нормальные» вещества, такие как атомы и молекулы, из которых состоят вы, я, Земля и почти все, что мы видим, составляют лишь 5% Вселенной. Еще 25% — это «темная материя», неизвестное вещество, которое мы не можем видеть, но которое можем обнаружить по тому, как оно влияет на обычную материю посредством гравитации.
Остальные 70% космоса состоят из «темной энергии». Обнаруженная в 1998 году, это неизвестная форма энергии, которая, как полагают, заставляет Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью.
В новом исследовании, которое вскоре будет опубликовано в Астрономическом журнале, мы измерили свойства темной энергии более детально, чем когда-либо прежде. Наши результаты показывают, что это может быть гипотетическая энергия вакуума, впервые предложенная Эйнштейном, или что-то более странное и сложное, что меняется со временем.
Что такое темная энергия?
Когда Эйнштейн более века назад разработал общую теорию относительности, он понял, что его уравнения показывают, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Ему это показалось неправильным, поэтому он добавил «космологическую константу» — разновидность энергии, присущей пустому пространству, — чтобы уравновесить силу гравитации и сохранить статичность Вселенной.
Позже, когда работы Генриетты Суон Ливитт и Эдвина Хаббла показали, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее своей «величайшей ошибкой».
Однако в 1998 году две группы исследователей обнаружили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Это означает, что в конце концов может существовать нечто очень похожее на космологическую постоянную Эйнштейна — то, что мы теперь называем темной энергией.
После этих первоначальных измерений мы использовали сверхновые и другие зонды для измерения природы темной энергии. До сих пор эти результаты показывали, что плотность темной энергии во Вселенной кажется постоянной.
Это означает, что сила темной энергии остается неизменной, даже когда Вселенная растет — она не становится более тонкой по мере того, как Вселенная становится больше. Мы измеряем это числом, называемым w. Космологическая постоянная Эйнштейна фактически установила w равным –1, и более ранние наблюдения показали, что это было примерно правильно.
Взрывающиеся звезды как космические мерки
Как мы можем измерить то, что находится во Вселенной и насколько быстро она растет? У нас нет огромных рулеток или гигантских весов, поэтому мы используем «стандартные свечи»: объекты в космосе, яркость которых нам известна.
Представьте, что сейчас ночь, и вы стоите на длинной дороге с несколькими фонарными столбами. На всех этих столбах установлена одна и та же лампочка, но столбы, расположенные дальше, светят тусклее, чем соседние.
Это потому, что свет тускнеет пропорционально расстоянию. Если мы знаем мощность лампочки и можем измерить ее яркость, мы можем рассчитать расстояние до фонарного столба.
Для астрономов обычная космическая лампочка — это своего рода взрывающаяся звезда, называемая сверхновой типа Ia. Это белые карлики, которые часто поглощают вещество соседней звезды и растут, пока не достигнут массы нашего Солнца в 1,44 раза, после чего они взрываются. Измерив, насколько быстро затухает взрыв, мы можем определить, насколько ярким он был и, следовательно, насколько далеко от нас.
Исследование темной энергии
Исследование темной энергии — это крупнейшая попытка измерить темную энергию. Более 400 ученых на разных континентах вот уже почти десять лет работают вместе, неоднократно наблюдая за частями южного неба.
Повторные наблюдения позволяют искать изменения, как новые взрывающиеся звезды. Чем чаще вы наблюдаете, тем лучше вы можете измерить эти изменения, и чем большую область вы ищете, тем больше сверхновых вы сможете найти.
Первые результаты, указывающие на существование темной энергии, использовались только для пары десятков сверхновых. Последние результаты исследования темной энергии используют около 1500 взрывающихся звезд, что дает гораздо большую точность.
С помощью специально построенной камеры, установленной на 4-метровом телескопе Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили, в ходе исследования были обнаружены тысячи сверхновых разных типов. Чтобы выяснить, какие из них относятся к типу Ia (тот, который нам нужен для измерения расстояний), мы использовали 4-метровый англо-австралийский телескоп в обсерватории Сайдинг-Спринг в Новом Южном Уэльсе.
Англо-Австралийский телескоп провел измерения, которые позволили разделить цвета света сверхновых. Это позволяет нам увидеть «отпечатки пальцев» отдельных элементов взрыва.
Сверхновые типа Ia обладают некоторыми уникальными особенностями, например, не содержат водорода и кремния. А при наличии достаточного количества сверхновых машинное обучение позволило нам эффективно классифицировать тысячи сверхновых.
Сложнее, чем космологическая постоянная.
Наконец, после более чем десяти лет работы и изучения около 1500 сверхновых типа Ia, Исследование темной энергии позволило получить новое лучшее измерение w. Мы нашли w = –0,80 ± 0,18, то есть оно находится где-то между –0,62 и –0,98.
Это очень интересный результат. Оно близко к –1, но не совсем так. Чтобы быть космологической постоянной или энергией пустого пространства, она должна быть ровно –1.
Что это нас оставляет? С идеей, что может потребоваться более сложная модель темной энергии, возможно, такая, в которой эта загадочная энергия менялась на протяжении жизни Вселенной.
Информация от: Разговором
