Тёмная энергия: почему Вселенная не просто летит, а разгоняется
До 1998 года астрофизики были уверены: после Большого взрыва Вселенная расширяется, но гравитация должна постепенно тормозить этот разлёт. Логично — всё притягивается ко всему. Чтобы измерить скорость расширения, две группы учёных наблюдали за сверхновыми типа Ia. Эти звёзды взрываются с почти одинаковой яркостью, поэтому служат «стандартными свечами» — по их видимому блеску можно определить расстояние.
Ожидали, что далёкие сверхновые окажутся чуть ярче, чем если бы расширение шло с постоянной скоростью — это указало бы на замедление. А получили обратное: далёкие вспышки оказались тусклее. Это значило, что они находятся дальше, чем предполагалось. Вселенная не тормозила — она разгонялась. В 2011 году за это открытие дали Нобелевскую премию по физике.
Что вообще значит «расширение с ускорением»
Представьте, что вы подбросили мяч, а он, вместо того чтобы замедлиться и упасть обратно, вдруг полетел вверх всё быстрее. Примерно так выглядит поведение галактик. Они удаляются друг от друга, и со временем скорость этого удаления растёт. Сами галактики при этом не летят сквозь пространство — это само пространство между ними растягивается. А ускорение означает, что растяжение происходит с возрастающей скоростью.
Ближайшие к нам объекты ещё связаны гравитацией — Млечный Путь и Андромеда даже сближаются. Но в масштабах скоплений и сверхскоплений тёмная энергия пересиливает тяготение.
Как объяснили ускорение: тёмная энергия
Ускоренное расширение требовало источника энергии, который расталкивает пространство изнутри. Этот источник назвали тёмной энергией. «Тёмная» — не потому что злая, а потому что мы о ней почти ничего не знаем.
Самый простой кандидат — космологическая постоянная, которую Эйнштейн ввёл в свои уравнения в 1917 году, а потом назвал «величайшей ошибкой». Она действует как антигравитация: постоянная плотность энергии, присущая самому вакууму. Чем больше пространства, тем больше этой энергии, и расширение подстёгивает само себя.
Другая гипотеза — квинтэссенция, динамическое поле, которое менялось во времени. Тогда параметры ускорения могли быть разными в прошлом. Но пока все наблюдения, включая данные спутника Planck и обзоры Sloan Digital Sky Survey, отлично описываются именно космологической постоянной.
Из чего состоит Вселенная сегодня
По современным оценкам, обычная материя — звёзды, планеты, газ — составляет около 5% всего содержимого Вселенной. Тёмная материя, которая держит галактики от разлёта, — примерно 25%. А оставшиеся 70% — тёмная энергия. Мы живём в мире, основной ингредиент которого абсолютно загадочен.
Соотношение этих компонентов менялось во времени. В ранней Вселенной доминировало излучение и материя, и расширение замедлялось. Тёмная энергия начала «перетягивать одеяло» около пяти-шести миллиардов лет назад, когда плотность материи упала из-за расширения, а плотность тёмной энергии осталась постоянной. Именно с того момента ускорение стало заметным.
Что будет дальше
Если тёмная энергия — действительно космологическая постоянная, расширение будет ускоряться вечно. Галактики за пределами Местной группы постепенно уйдут за горизонт видимости, Вселенная станет холодной и пустой. Если же тёмная энергия способна меняться, сценариев больше: от постепенного замедления до «Большого разрыва», когда ускорение разорвёт сначала скопления, потом галактики, потом атомы.
Проверка этих гипотез — одна из главных задач современной астрофизики. Новые телескопы, такие как Euclid и обсерватория Веры Рубин, должны набрать статистику по миллиардам галактик и уточнить уравнение состояния тёмной энергии.
Часто задаваемые вопросы
— Тёмная энергия и тёмная материя — это одно и то же?
Нет. Тёмная материя притягивает гравитационно и не даёт галактикам разлетаться, а тёмная энергия, наоборот, расталкивает пространство. У них разная роль в космологии.
— Откуда мы знаем, что тёмная энергия вообще существует, если её не видно?
О её существовании судят по косвенным данным: ускоренное расширение по сверхновым, распределение реликтового излучения, рост крупномасштабной структуры Вселенной. Все эти наблюдения сходятся, если в уравнения добавить тёмную энергию.
— Может ли тёмная энергия быть ошибкой измерений?
Теоретически можно списать ускорение на неоднородность Вселенной или неверное понимание гравитации. Но пока никакая альтернативная теория не объясняет весь набор данных так же хорошо, как тёмная энергия.
— При чём тут Эйнштейн, если он ошибся?
Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, чтобы уравнения допускали статичную Вселенную, что было мейнстримом в начале XX века. Когда открыли расширение, он отказался от неё. Сейчас эта постоянная вернулась как простейшее объяснение ускорения.
— Где узнать больше, если хочешь разобраться глубже?
На СтудИзбе есть разделы с конспектами лекций по астрофизике и космологии — можно найти готовые материалы, собранные студентами, чтобы не перерывать горы учебников.
