Открытие расширения Вселенной удалось объяснить, добавив в космологическую модель таинственную темную энергию. Вот только ее природу сложно объяснить и связать с теорией гравитации Альберта Эйнштейна. «Хайтек» рассказывает, как ученые пытаются решить одну из самых больших загадок Вселенной.
На протяжении десятилетий теория гравитации, которая вытекает из общей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, объясняла все процессы в космосе: от необычной орбиты Меркурия до поведения черных дыр. Но в начале 60-х годов прошлого столетия одно открытие поставило универсальность ОТО и теории гравитации под сомнение.
В это время исследователи впервые обнаружили, что поведение далеких галактик не соответствует предсказаниям теории гравитации. Искажения пространства-времени от далеких скоплений и звездных систем оказались гораздо сильнее, чем масса таких объектов, рассчитанная на основе наблюдений.
Позже, в конце 90-х годов исследователи обнаружили еще один необычный факт. Оказывается, скорость расширения Вселенной возрастает со временем. Этот эффект бросил еще один вызов теории Альберта Эйнштейна: гравитационные воздействия материи должны были замедлять расширение Вселенной, а не ускорять его. Современная космологическая модель — модель ΛCDM — нашла ответы на эти вопросы, но ученые не оставляют надежд бросить вызов гению из первой половины XX века.
Почему ученые думают, что Вселенная расширяется ускоренно?
Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году в результате работы сразу двух независимых команд: Проекта космологии сверхновых и Группы поиска сверхновых с высоким Z. Обе исследовательские группы изучали ускорение расширения Вселенной, анализируя далекие звездные взрывы.
Сверхновые типа la имеют почти одинаковую стандартную светимость. Наблюдая яркость таких объектов, можно определить, насколько далеко они находятся. Кроме того, при расширении Вселенной свет от далеких объектов смещается в красную сторону спектра. Измеряя красное смещение, можно определить, насколько расширилась Вселенная с момента возникновения сверхновой.
Астрофизики во время проведения этих экспериментов были уверены, что Вселенная должна расширяться с замедлением, после чего процесс должен был либо остановиться, либо перейти к сжатию. Но неожиданным результатом, к которому независимо пришли обе группы ученых, стало то, что Вселенная расширяется с ускорением.
Расширение Вселенной позже было подтверждено другими методами. Измерение космологического микроволнового фона (следов Большого взрыва), эффектов гравитационного линзирования и анализ барионных акустических колебаний подтверждают гипотезу о расширении Вселенной.
В 2007 году обеим командам, открывшим эффект расширения Вселенной, была присуждена премия Грубера в области космологии, а в 2011 трое из участников были удостоены Нобелевской премии по физике.
Как объяснить ускоренное расширение?
Чтобы объяснить результаты наблюдений (расширение Вселенной и более сильное искажение пространства-времени от далеких галактик), ученые ввели две новых модели — темную материю и темную энергию.
Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая, как полагают ученые, составляет примерно 85% материи во Вселенной. Ее называют темной, потому что она никак не взаимодействует с электромагнитным полем. Иными словами, такая материя не отражает, не поглощает и не излучает свет и другие электромагнитные волны. Тем не менее, у нее есть собственная масса, а значит, и гравитационное воздействие. Добавление темной материи в космологические модели позволяет объяснить более мощную гравитацию далеких галактик.
Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, в отличие от темной материи про нее пока мало что известно. Считается, что темная энергия очень однородная, не очень плотная и не может взаимодействовать ни с одной из фундаментальных сил, кроме гравитации. Эту энергию связывают с энергией вакуума. Если предположить, что по мере расширения Вселенной и увеличения свободного пространства эта энергия возрастает, то можно объяснить переход от равномерного к ускоренному расширению.
Хотя гипотеза темной энергии хорошо описывает наблюдаемые во Вселенной процессы, само ее наличие и взаимодействие только с гравитационным полем трудно связать с общей теорией относительности и теорией гравитации Эйнштейна.
Как проверить работу теории?
Некоторые ученые полагают, что, если теория гравитации не может объяснить темную энергию, возможно, она неполная, и нужно добавить в уравнение дополнительный параметр или переменную, которая свяжет все наблюдения воедино. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые ищут в прошлом признаки нарушения теории гравитации.
Одна из таких работ — международное исследования темной энергии с использованием 4-метрового телескопа Виктора Бланко в Чили. Результаты этого наблюдения были представлены в августе на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии (COSMO’22) в Рио-де-Жанейро.
Участники исследования искали доказательства того, что сила гравитации менялась на протяжении всей истории Вселенной, либо в далеком прошлом. Для своей работы они использовали, помимо основного телескопа Бланко, данные спутника «Планк» Европейского космического агентства.
Астрофизики исследовали изображения галактик на наличие более тонких искажений из-за искривления пространства темной материей — эффекта, называемого слабым гравитационным линзированием. Сила гравитации определяет размер и распределение структур темной материи, а размер и распределение, в свою очередь, определяют, насколько искривленными кажутся нам эти галактики.
Измеряя все эти параметры, можно определить силу гравитации в далеких галактиках. А поскольку свет от них доходит до нас через миллионы и миллиарды лет, по сути, ученые исследуют, как вела себя гравитация в прошлом.
Исследователи сообщили, что уже изучены гравитационные силы и формы в более 100 млн галактик, но во всех экспериментах наблюдения полностью соответствуют теории Эйнштейна. А значит, природа темной энергии остается загадкой.
Что дальше?
Теория Эйнштейна пока устояла, но исследователи продолжают проверять ее на прочность. Новую попытку объяснить природу темной энергии предпримут спутниковые миссии. В 2023 году Европейское космическое агентство планирует запустить космический телескоп «Евклид». Приборы устройства будут измерять красные смещения галактик, находящихся на разном расстоянии от Земли, и исследовать связь красного смещения и расстояния.
Разработчики ожидают, что «Евклид» сможет заглянуть на 8 млрд лет назад. С помощью сверхточных измерений он сможет узнать, как обстояли дела с гравитацией, темной материей и темной энергии в эту эпоху.
Похожую миссию планирует НАСА: в 2027 году оно планирует вывести на орбиту Земли космический телескоп Nancy Grace Roman. Исследователи полагают, что он сможет изучить галактики, расположенные на расстоянии в 11 млрд световых лет и изучить самую раннюю Вселенную.
Читать далее:
Первые снимки подземной части Марса удивили ученых
С тела — в рот: ученые поняли, откуда появились зубы
Где на планете будет опаснее всего к 2100 году: опубликована новая карта
На обложке: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
