Наша расширяющаяся Вселенная: погружение в темную энергию
На этой диаграмме показана временная шкала Вселенной, от ее зарождения в Большом взрыве до наших дней.
Изображение предоставлено научной группой NASA/WMAP.
Вселенная становится немного больше, немного быстрее с каждым днем.
И ученые не знают, почему.
Если так будет продолжаться, почти все другие галактики будут так далеко от нас, что однажды мы не сможем обнаружить их даже с помощью самого сложного оборудования. На самом деле мы сможем обнаружить только несколько космических объектов за пределами Млечного Пути. К счастью, этого не произойдет в ближайшие миллиарды лет.
Но так быть не должно – по крайней мере, согласно теории. Основываясь на том факте, что гравитация сближает галактики, теория Альберта Эйнштейна предсказывала, что Вселенная со временем должна расширяться медленнее. Но в 1998 году астрофизики были немало удивлены, когда их наблюдения показали, что Вселенная расширяется все быстрее. Астрофизики называют это явление «космическим ускорением».
«То, что движет космическим ускорением, вероятно, будет доминировать в будущей эволюции Вселенной», — сказал Джош Фриман, исследователь из Фермилаборатории Министерства энергетики (DOE) и директор исследования темной энергии.
Хотя астрофизики мало знают об этом, они часто используют «темную энергию» как сокращение для причины этого расширения. Основываясь на ее эффектах, они подсчитали, что темная энергия может составлять 70 процентов совокупной массы и энергии Вселенной. Нечто неизвестное, лежащее за пределами нашего нынешнего понимания законов физики и оказывающее основное влияние на рост Вселенной, составляет одну из самых больших загадок в физике. Управление науки Министерства энергетики США поддерживает ряд проектов по исследованию темной энергии, чтобы лучше понять это явление.
Начало Вселенной
Прежде чем ученые смогут понять, что заставляет Вселенную расширяться сейчас, им необходимо узнать, что происходило в прошлом. Энергия Большого взрыва привела к раннему расширению Вселенной. С тех пор гравитация и темная энергия вступили в космическое перетягивание каната. Гравитация сближает галактики; темная энергия раздвигает их. Расширяется Вселенная или сжимается, зависит от того, какая сила преобладает, гравитация или темная энергия.
Сразу после Большого взрыва Вселенная была намного меньше и состояла из чрезвычайно высокоэнергетической плазмы. Эта плазма сильно отличалась от всего, что есть сегодня. Он был настолько плотным, что улавливал всю энергию, включая свет. В отличие от нынешней Вселенной, в которой есть просторы «пустого» пространства, усеянного плотными галактиками звезд, эта плазма была почти равномерно распределена по той древней Вселенной.
Когда Вселенная расширилась и стала менее плотной, она остыла. Во вспышке космического времени протоны и электроны объединились, чтобы сформировать нейтральные атомы водорода. Когда это произошло, свет смог проникнуть во Вселенную, сформировав то, что сейчас известно как «космический микроволновый фон». Сегодняшние инструменты, обнаруживающие космический микроволновый фон, дают ученым представление о той ранней Вселенной.
В то время гравитация была главной силой, влиявшей на структуру Вселенной. Это замедлило скорость расширения и сделало возможным объединение материи. В конце концов, первые звезды появились примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва. В течение следующих нескольких миллиардов лет формировались все более и более крупные структуры: галактики и скопления галактик, содержащие от миллиардов до квадриллионов (миллион миллиардов) звезд. Пока формировались эти космические объекты, пространство между галактиками продолжало расширяться, но все медленнее благодаря гравитационному притяжению.
Но где-то между 3 и 7 миллиардами лет после Большого взрыва что-то произошло: расширение не замедлилось, а ускорилось. Темная энергия начала оказывать большее влияние, чем гравитация.С тех пор расширение ускоряется.
Ученые использовали три разных типа доказательств, чтобы разработать эту историю Вселенной. Первоначальные доказательства в 1998 году были получены в результате наблюдений сверхновых определенного типа. Два других типа доказательств в начале 2000-х годов предоставили дополнительную поддержку.
«Это была внезапная лавина результатов космологии», — сказал Эрик Линдер, исследователь лаборатории Беркли и руководитель программы Office of Science Cosmic Frontier.
По оценкам ученых, галактики удаляются друг от друга на 0,007% каждый миллион лет. Но они до сих пор не знают, почему.
Что такое темная энергия?
«Космическое ускорение действительно указывает на нечто принципиально иное в том, как работают силы Вселенной», — сказал Дэниел Эйзенштейн, исследователь из Гарвардского университета и бывший директор Sloan Digital Sky Survey. «Нам известны четыре основные силы: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. И ни одна из этих сил не может объяснить космическое ускорение».
До сих пор доказательства подстегивали две конкурирующие теории.
Ведущая теория состоит в том, что темная энергия является «космологической постоянной», концепцией, которую Альберт Эйнштейн создал в 1917 году, чтобы сбалансировать свои уравнения, чтобы описать вселенную в равновесии. Без этой космологической постоянной, компенсирующей гравитацию, конечная Вселенная схлопнется сама в себя.
Сегодня ученые считают, что константа может представлять собой энергию космического вакуума. Вместо того, чтобы быть «пустым», это будет означать, что пространство на самом деле оказывает давление на космические объекты. Если эта идея верна, то распределение темной энергии должно быть везде одинаковым.
Все наблюдения соответствуют этой идее — до сих пор. Но есть большая проблема. Теоретические уравнения и физические измерения не совпадают. Когда исследователи вычисляют космологическую постоянную, используя стандартную физику, они получают число, которое отличается на огромную величину: 1 х 10 120 (1 со 120 нулями после него).
«Трудно сделать такую большую математическую ошибку», — пошутил Фриман.
Это основное различие между наблюдением и теорией предполагает, что астрофизики еще не до конца понимают происхождение космологической постоянной, даже если она является причиной космического ускорения.
Другая возможность состоит в том, что «темная энергия» — это вообще неправильное название. Конкурирующая теория утверждает, что Вселенная расширяется все быстрее, потому что гравитация в очень больших масштабах действует иначе, чем предсказывает теория Эйнштейна. Хотя у этой теории меньше доказательств, чем у космологической постоянной, она все же возможна.
Самые большие карты Вселенной
Чтобы собрать доказательства, которые могут подтвердить или опровергнуть эти теории, ученые создают наглядную историю расширения Вселенной. Эти карты позволят астрофизикам увидеть эффекты темной энергии с течением времени. Обнаружение того, что структура Вселенной изменилась таким образом, что это согласуется с влиянием космологической постоянной, дало бы веские доказательства этой теории.
Существует два типа обследований: визуализирующие и спектроскопические. Обзор темной энергии и Большой синоптический обзорный телескоп (LSST) являются исследованиями изображений, в то время как Спектроскопический обзор барионных колебаний (часть Слоановского цифрового обзора неба), eBOSS и Спектроскопический инструмент темной энергии являются спектроскопическими.
В съемках изображений используются гигантские камеры — некоторые размером с автомобиль — для фотографирования ночного неба. Чем дальше объект, тем больше времени требуется свету, чтобы достичь нас. Фотосъемка галактик, скоплений галактик и сверхновых на разных расстояниях показывает, как со временем менялось распределение материи. Исследование Dark Energy Survey, которое начало собирать данные в 2013 году, уже сфотографировало более 300 миллионов галактик. К тому времени, когда он завершится в 2018 году, он сделает снимки примерно одной восьмой части всего ночного неба. LSST еще больше расширит наши знания.Когда он начнется в 2022 году, LSST будет использовать самую большую в мире цифровую камеру для съемки 20 миллиардов галактик.
«Это поразительное число. Оно может составлять 10% всех галактик в наблюдаемой Вселенной», — сказал Стив Кан, профессор физики в Стэнфорде и директор проекта LSST.
Тем не менее, эти обзоры изображений упускают из виду ключевой момент данных — насколько быстро Млечный Путь и другие галактики удаляются друг от друга. Но такую информацию могут предоставить спектроскопические исследования, фиксирующие свет за пределами видимого спектра. Они также могут более точно оценить, насколько далеко находятся галактики. В совокупности эта информация позволяет астрофизикам оглянуться назад во времени.
Спектроскопический обзор барионных колебаний (BOSS), часть более крупного Слоановского цифрового обзора неба, был одним из крупнейших проектов, в котором, как следует из названия, использовался спектроскопический подход. Он нанес на карту более 1,2 миллиона галактик и квазаров.
Однако в данных BOSS есть большой пробел. Он мог бы измерить, что происходило 5 миллиардов лет назад, используя яркие галактики, и 10 миллиардов лет назад, используя яркие квазары. Но в нем не было ничего о том, что происходило между ними. К сожалению, этот временной период наиболее вероятен, когда темная энергия начала доминировать.
«Семь миллиардов лет назад темная энергия начала по-настоящему доминировать и быстрее раздвигать Вселенную. Поэтому сейчас мы делаем эти карты, охватывающие все это расстояние. Мы начинаем с заднего двора Млечного Пути, нашей собственной галактики, и мы выйти на 7 миллиардов световых лет», — сказал Дэвид Шлегель, исследователь из лаборатории Беркли, который является главным исследователем BOSS. Эти 7 миллиардов световых лет охватывают время, прошедшее с момента первоначального испускания света до того, как он достиг наших телескопов сегодня.
Этот пробел заполняют два новых проекта: обзор eBOSS и спектроскопический прибор темной энергии (DESI). eBOSS будет нацелен на недостающий промежуток времени от 5 до 7 миллиардов лет назад. DESI уйдет еще дальше — на 11 миллиардов световых лет.Несмотря на то, что темная энергия была слабее по сравнению с гравитацией, исследование большего объема космоса позволит ученым проводить еще более точные измерения. DESI также будет собирать в 10 раз больше данных, чем BOSS. Когда он начнет вести наблюдения в 2019 году, он будет измерять свет от 35 миллионов галактик и квазаров.
«Теперь мы понимаем, что большая часть Вселенной — это вещество, которое мы никогда не сможем напрямую измерить с помощью экспериментов здесь, на Земле. Мы должны сделать вывод об их свойствах, глядя в космос», — сказала Рэйчел Бин, исследователь из Корнеллского университета. Университет, который является представителем LSST Dark Energy Science Collaboration. Разгадка тайны галактик, разбегающихся друг от друга, «действительно представляет собой сложную задачу в физике. Нам предстоит много работы».
