Темная энергия — одно из самых неудачных названий в астрономии, потому что оно звучит конкретнее, чем есть на самом деле. Ученые не открыли светящуюся субстанцию под названием темная энергия. Они дали это имя неизвестному влиянию, связанному с ускоряющимся расширением Вселенной.
Доказательства того, что расширение ускоряется на самых больших масштабах, убедительны. Объяснение — нет. Темная энергия может быть свойством пустого пространства, новым полем или знаком того, что нашу теорию гравитации нужно пересмотреть на космических расстояниях.
Как астрономы обнаружили ускорение
В конце 1990-х две команды изучали далекие сверхновые типа Ia. У этих звездных взрывов есть полезная связь между яркостью и расстоянием, позволяющая астрономам сравнивать, насколько яркими они выглядят, с тем, насколько быстро их родительские галактики удаляются.
Далекие сверхновые оказались тусклее, чем ожидалось во Вселенной, чье расширение замедляется под действием гравитации. Простейшей интерпретацией было то, что расширение ускорилось в более поздней истории космоса.
Сколько во Вселенной темной энергии?
В стандартной космологической модели темная энергия составляет примерно 68% общего энергетического бюджета Вселенной. Темная материя — около 27%, а обычная материя — атомы в звездах, планетах, газе и людях — лишь небольшой остаток.
Эти цифры описывают модель, которая лучше всего соответствует нескольким независимым наблюдениям. Они не означают, что темную энергию собрали в контейнер или взвесили напрямую. Ее присутствие выводится из того, как расширяется Вселенная и как растет крупномасштабная структура.
Процент также говорит о Вселенной в целом, а не о каждом участке пространства. Внутри галактики доминирует гравитация звезд и темной материи. Темная энергия становится важной только тогда, когда астрономы сравнивают огромные регионы на протяжении миллиардов лет, где меняется среднее расстояние между галактиками.
Темная энергия — это то же самое, что темная материя?
Нет. Темная материя и темная энергия — разные идеи. Темная материя обладает гравитацией и помогает формироваться галактикам и скоплениям. Темная энергия связана с ускоренным расширением Вселенной и, судя по всему, действует иначе на самых больших масштабах.
Curiosmos отдельно рассматривал, чем может быть темная материя и почему астрономы считают, что она существует. Смешение этих двух понятий затрудняет понимание доказательств.
Чем может быть темная энергия?
Ведущая возможность — космологическая постоянная: фиксированная энергия, связанная с пустым пространством. В этой картине темная энергия имеет одинаковую плотность везде и не разжижается по мере расширения Вселенной.
Другие идеи допускают, что темная энергия меняется со временем. Поле может эволюционировать по мере роста Вселенной, или гравитация может вести себя иначе на очень больших расстояниях. Измерения сверхновых, космического микроволнового фона, барионных акустических осцилляций и гравитационного линзирования помогают различать эти возможности.
Почему новые карты важны
Крупные обзоры, такие как Dark Energy Spectroscopic Instrument, картируют миллионы галактик и квазаров. Они используют узор материи в пространстве как запись того, как расширялась Вселенная. Если разные наблюдения отказываются укладываться в одну модель, расхождение может указывать на новую физику, а не на небольшую поправку.
Пока темная энергия — это измеренный эффект с незавершенным объяснением. Это не провал космологии. Это честное описание того, где заканчиваются доказательства и начинаются следующие вопросы.
Следующие ответы придут от сравнения нескольких видов доказательств, а не от доверия одному обзору. Сверхновая измеряет расстояние, карта галактик измеряет структуру, а космический микроволновой фон фиксирует раннюю Вселенную. Если эти записи согласуются, позиции стандартной модели укрепляются. Если нет — космологии придется объяснить, почему.
Имя, которое скрывает тайну
Темная энергия — это, возможно, величайшая загадка современной физики. Мы знаем, что она есть. Мы знаем, сколько ее. Но мы не знаем, что это.
Космологическая постоянная — самая элегантная гипотеза. Пустое пространство, оказывается, не совсем пустое: оно содержит энергию, которая не разжижается. Но расчеты квантовой механики дают значение, которое в 10 в 120-й степени раз больше наблюдаемого. Это худшее предсказание в истории физики.
Альтернативы — эволюционирующие поля, модифицированная гравитация — тоже имеют проблемы. Каждая объясняет одни данные, но не другие.
Крупные обзоры, такие как DESI, должны решить, какая гипотеза верна. Но пока результаты скорее углубляют загадку, чем разрешают ее.
Темная энергия напоминает о пределах нашего знания. Мы можем измерить расширение Вселенной с поразительной точностью, но не можем объяснить, что его движет.
И, возможно, самое интересное — впереди. Если данные от разных наблюдений начнут противоречить друг другу, это будет сигналом о новой физике. О чем-то, что мы пока даже не можем вообразить.
Источники: материалы Dark Energy Spectroscopic Instrument, публикации Curiosmos.
Ваш комментарий