Темная энергия: Темная энергия вселенной — ФПФЭ

Темная энергия вселенной — ФПФЭ

В последнее время в космологии — науке, которая изучает структуру и
эволюцию Вселенной, — стал широко применяться термин «темная энергия»,
вызывающий у людей, далеких от этих исследований, по меньшей мере легкое
недоумение. Часто в паре с ним выступает и другой «мрачный» термин — «темная
материя», а также упоминается, что, по данным наблюдений, эти две субстанции
обеспечивают 95% полной плотности Вселенной. Прольем же луч света на это
«царство мрака».

В научной литературе термин «темная энергия» появился в конце прошлого века
для обозначения физической среды, заполняющей всю Вселенную. В отличие от
различных видов вещества и излучения, от которых можно (хотя бы теоретически)
полностью очистить или экранировать некоторый объем, темная энергия в
современной Вселенной неразрывно связана с каждым кубическим сантиметром
пространства. С некоторой натяжкой можно сказать, что само пространство обладает
массой и участвует в гравитационном взаимодействии. (Напомним, что согласно
известной формуле E = mc² энергия эквивалентна массе.)

Первое слово в термине «темная энергия» указывает на то, что эта форма
материи не испускает и не поглощает никакого электромагнитного излучения, в
частности света. С обычным веществом она взаимодействует только через
гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту среду структурированной, то
есть состоящей из частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе
гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их скоплений.
Иными словами, плотность темной энергии, в отличие от обычного и темного
вещества, одинакова во всех точках пространства.

Во избежание путаницы сразу отметим, что мы исходим из материалистического
представления об окружающем нас мире, а значит, все, что заполняет Вселенную, —
это материя. Если материя структурирована, ее называют веществом, а если нет,
как, например, поле, то — энергией. Вещество, в свою очередь, делят на обычное и
темное, ориентируясь на то, взаимодействует ли оно с электромагнитным
излучением. Правда, по сложившейся в космологии традиции темное вещество принято
называть «темной материей». Энергия тоже делится на два типа. Один из них — это
как раз излучение, еще одна субстанция, наполняющая Вселенную. Когда-то именно
излучение определяло эволюцию нашего мира, но сейчас его роль упала почти до
абсолютного нуля, точнее до 3 градусов Кельвина — температуры так называемого
реликтового микроволнового излучения, идущего в космосе со всех сторон. Это
остаток (реликт) горячей молодости нашей Вселенной. А вот о другом типе энергии,
который не взаимодействует ни с веществом, ни с излучением и проявляет себя
исключительно гравитационно, мы бы могли никогда не узнать, если бы не
исследования в области космологии.

С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем
дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не
менее достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие
слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц,
например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они
никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.

Самая большая ошибка Эйнштейна

Вопрос о природе темной энергии еще туманнее. Поэтому, как часто бывает в
науке, отвечать на него лучше, описывая предысторию вопроса. Она начинается в
памятном для нашей страны 1917 году, когда создатель общей теории
относительности Альберт
Эйнштейн, публикуя решение задачи об эволюции Вселенной, ввел в научный
оборот понятие космологической постоянной. В своих уравнениях, описывающих
свойства гравитации, он обозначил ее греческой буквой «лямбда» (Λ). Так она
получила свое второе название — лямбда-член. Назначение космологической
постоянной состояло в том, чтобы сделать Вселенную стационарной, то есть
неизменной и вечной. Без лямбда-члена уравнения общей теории относительности
предсказывали, что Вселенная должна быть неустойчивой, как воздушный шарик, из
которого вдруг исчез весь воздух. Всерьез изучать такую неустойчивую Вселенную
Эйнштейн не стал, а ограничился тем, что восстановил равновесие введением
космологической постоянной.

Однако позднее, в 1922—1924 годах, наш выдающийся соотечественник Александр Фридман показал, что в судьбе
Вселенной космологическая постоянная не может играть роль «стабилизатора», и
рискнул рассмотреть неустойчивые модели Вселенной. В результате ему удалось
найти еще не известные к тому времени нестационарные решения уравнений
Эйнштейна, в которых Вселенная как целое сжималась или расширялась.

В те годы космология была сугубо умозрительной наукой, пытавшейся чисто
теоретически применить физические уравнения ко Вселенной как целому. Поэтому
решения Фридмана поначалу были восприняты — в том числе и самим Эйнштейном — как
математическое упражнение. Вспомнили о нем после открытия разбегания галактик в
1929 году. Фридмановские решения прекрасно подошли для описания наблюдений и
стали важнейшей и широко используемой космологической моделью. А Эйнштейн
позднее назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной
ошибкой».

Далекие сверхновые

Постепенно наблюдательная база космологии становилась все более мощной, а
исследователи учились не только задавать вопросы природе, но и получать на них
ответы. И вместе с новыми результатами росло и число аргументов в пользу
реального существования «самой большой научной ошибки» Эйнштейна. В полный голос
об этом заговорили в 1998 году после наблюдения далеких сверхновых звезд,
которые указывали, что расширение Вселенной ускоряется. Это означало, что во
Вселенной действует некая расталкивающая сила, а значит, и соответствующая ей
энергия, похожая по своим проявлениям на эффект от лямбда-члена в уравнениях
Эйнштейна. По сути, лямбда-член представляет собой математическое описание
простейшего частного случая темной энергии.

Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение подчиняется
закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они
удаляются друг от друга, причем скорость, определяемая по красному смещению в
спектрах галактик, прямо пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени
закон Хаббла был непосредственно проверен лишь на относительно небольших
расстояниях — тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как
расширялась Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно
было судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой проверкой
закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX века, когда
появился способ определять расстояния до далеких галактик по вспыхивающим в них
сверхновым звездам.

Вспышка сверхновой — это момент в жизни массивной звезды, когда она
испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости
от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип
вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие
обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого
превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом
Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила
гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но
если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то
в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда
взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia.
Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда
одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем
весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения
межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и
сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались
вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и
подобрать соответствующую космологическую модель, в частности подходящую
величину лямбда-члена (плотности темной энергии).

Однако несмотря на простоту и ясность этого метода, он сталкивается с рядом
серьезных трудностей. Прежде всего отсутствие детальной теории взрыва cверхновых
типа Ia делает зыбким их статус стандартной свечи. На характер взрыва, а значит,
и на светимость сверхновой могут влиять скорость вращения белого карлика,
химический состав его ядра, количество водорода и гелия, перетекшего на него с
соседней звезды. Как все это сказывается на кривых блеска, пока достоверно
неизвестно. Наконец, сверхновые вспыхивают не в пустом пространстве, а в
галактиках, и свет вспышки может, к примеру, оказаться ослаблен случайным
газопылевым облаком, встретившимся на пути к Земле. Все это ставит под сомнение
возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. И если бы в
пользу существования темной энергии был только этот довод, данная статья вряд ли
была бы написана. Так что хотя «аргумент сверхновых» спровоцировал широкую
дискуссию о темной энергии (и даже появление самого этого термина), уверенность
космологов в ее существовании опирается на другие, более убедительные аргументы.
К сожалению, они не столь просты, и поэтому описать их можно лишь в самых общих
чертах.

Краткая история времен

По современным представлениям, рождение Вселенной должно описываться в
терминах еще не созданной квантовой теории гравитации. Понятие «возраст
Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше 10-43 секунд. На меньших
масштабах уже нельзя говорить о привычном нам линейном течении времени.
Топологические свойства пространства тоже становятся нестабильными. По-видимому,
в малых масштабах пространство-время заполнено микроскопическими «кротовыми
норами» — своего рода тоннелями, соединяющими разнесенные области Вселенной.
Впрочем, о расстояниях или порядке следования событий говорить тоже невозможно.
В научной литературе такое состояние пространства-времени с флуктуирующей
топологией называют квантовой пеной. По неизвестным пока причинам, возможно,
из-за квантовой флуктуации, в пространстве Вселенной возникает физическое поле,
которое в возрасте около 10-35 секунд заставляет Вселенную расширяться с
колоссальным ускорением. Этот процесс называют инфляцией, а вызывающее его поле
— инфлатоном. В отличие от экономики, где инфляция является неизбежным злом, с
которым нужно бороться, в космологии инфляция, то есть экспоненциально быстрое
увеличение Вселенной, — это благо. Именно ей мы обязаны тем, что Вселенная
обрела большой размер и плоскую геометрию. В конце этой короткой эпохи
ускоренного расширения запасенная в инфлатоне энергия порождает известную нам
материю: разогретую до огромной температуры смесь излучения и массивных частиц,
а также едва заметную на их фоне темную энергию. Можно сказать, что это и есть
Большой взрыв. Космологи говорят об этом моменте, как о начале
радиационно-доминированной эпохи в эволюции Вселенной, поскольку большая часть
энергии в это время приходится на излучение. Однако расширение Вселенной
продолжается (хотя теперь уже и без ускорения) и оно по-разному отражается на
основных типах материи. Ничтожная плотность темной энергии со временем не
меняется, плотность вещества падает обратно пропорционально объему Вселенной, а
плотность излучения снижается еще быстрее. В итоге спустя 300 тысяч лет
доминирующей формой материи во Вселенной становится вещество, большую часть
которого составляет темная материя. С этого момента рост возмущений плотности
вещества, едва тлевший на стадии доминирования излучения, становится достаточно
быстрым, чтобы привести к образованию галактик, звезд и столь необходимых
человечеству планет. Движущей силой этого процесса является гравитационная
неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. Едва заметные неоднородности
оставались еще с момента распада инфлатона, но пока во Вселенной доминировало
излучение, оно мешало развитию неустойчивости.
Теперь
основную роль начинает играть темная материя. Под действием собственной
гравитации области повышенной плотности останавливаются в своем расширении и
начинают сжиматься, в результате чего из темной материи образуются
гравитационносвязанные системы, называемые гало. В гравитационном поле Вселенной
образуются «ямы», в которые устремляется обычное вещество. Накапливаясь внутри
гало, оно формирует галактики и их скопления. Этот процесс образования структур
начался более 10 миллиардов лет назад и шел по нарастающей, пока не наступил
последний перелом в эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет (это примерно
половина нынешнего возраста Вселенной) плотность вещества, которая продолжала
снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности темной
энергии. Тем самым завершилась эпоха доминирования вещества, и теперь темная
энергия контролирует эволюцию Вселенной. Какова бы ни была ее физическая
природа, проявляется она в том, что космологическое расширение вновь, как в
эпоху инфляции, начинает ускоряться, только на этот раз очень медленно. Но даже
этого достаточно, чтобы затормозить формирование структур, а в будущем оно
должно вовсе прекратиться: любые недостаточно плотные образования будут
рассеиваться ускоряющимся расширением Вселенной. Временное «окно», в котором
работает гравитационная неустойчивость и возникают галактики, захлопнется уже
через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от природы
темной энергии. Если это космологическая постоянная, то ускоренное расширение
Вселенной будет продолжаться вечно. Если же темная энергия — это сверхслабое
скалярное поле, то после того как оно достигнет состояния равновесия, расширение
Вселенной станет замедляться, а возможно сменится сжатием. Пока физическая
природа темной энергии неизвестна, все это не более чем умозрительные гипотезы.
Таким образом, с определенностью сказать можно только одно: ускоренное
расширение Вселенной будет продолжаться еще несколько десятков миллиардов лет.
За это время наш космический дом — галактика Млечный Путь — сольется со своей
соседкой — Туманностью Андромеды (и большинством галактик-спутников меньшей
массы, входящих в состав Местной Группы). Все прочие галактики улетят на большие
расстояния, так что многие из них нельзя будет увидеть даже в самый мощный
телескоп. Что касается реликтового излучения, которое приносит нам так много
важнейшей информации о структуре Вселенной, то его температура упадет почти до
нуля, и этот источник информации будет потерян. Человечество останется
Робинзоном на острове с эфемерной перспективой обзавестись хотя бы Пятницей.

Увидеть темную материю нельзя, но по косвенным признакам можно
узнать ее распределение на разных расстояниях. В дальнейшем по таким срезам
восстанавливается трехмерная карта темной материи. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY
(CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)

Крупномасштабная структура Вселенной

У космологов имеются два основных источника знаний о крупномасштабной
структуре Вселенной. Прежде всего это распределение в окружающем нас
пространстве светящейся материи, то есть галактик. Трехмерная карта показывает,
в какие структуры — группы, скопления, сверхскопления — объединяются галактики и
каковы характерные размеры, формы и численность этих образований. Тем самым
становится понятно, как распределено вещество в современной Вселенной.

Другим источником информации служит распределение интенсивности реликтового
излучения по небесной сфере. Карта неба в микроволновом диапазоне несет
информацию о распределении неоднородностей плотности в ранней Вселенной, когда
ее возраст составлял около 300 тысяч лет — именно тогда вещество стало
прозрачным для излучения. Угловые расстояния между пятнами на микроволновой
карте говорят о размерах неоднородностей в то время, а перепады яркости (они,
кстати, очень маленькие, порядка сотой доли процента) указывают на степень
уплотнения зародышей будущих скоплений галактик. Тем самым у нас есть как бы два
временных среза: структура Вселенной в моменты через 300 тысяч и 14 миллиардов
лет после Большого взрыва.

Теория говорит о том, что характеристики наблюдаемых структур сильно зависят
от того, какая часть материи во Вселенной приходится на вещество (обычное и
темное). Расчеты, основанные на наблюдательных данных, показывают, что его доля
составляет сегодня около 30% (из которых лишь 5% приходится на обычное вещество,
состоящее из атомов). А значит, остальные 70% — это материя, не входящая ни в
какие структуры, то есть темная энергия. Этот аргумент не столь прозрачен,
поскольку за ним стоят сложные расчеты, описывающие образования структур во
Вселенной. Тем не менее он действительно более сильный. Это можно
проиллюстрировать такой аналогией. Представьте, что внеземная цивилизация
стремится обнаружить разумную жизнь на Земле. Одна группа исследователей
заметила идущее от нашей планеты мощное радиоизлучение, которое периодически
изменяет частоту и интенсивность, и объясняет это работой электронного
оборудования. Другая группа послала к Земле зонд и сфотографировала квадраты
полей, линии дорог, узлы городов. Первый аргумент, конечно, проще, но второй —
убедительнее.

Разные срезы относятся к разным моментам в прошлом. Поэтому
данная карта является пространственновременной и отражает эволюцию распределения
материи. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF
TECHNOLOGY)

Продолжая эту аналогию, можно сказать, что еще более наглядным свидетельством
разумной жизни стало бы наблюдение за формированием перечисленных структур.
Конечно, человеку пока не под силу в реальном времени наблюдать, как формируются
скопления галактик. Тем не менее можно определить, как менялось их число по ходу
эволюции Вселенной. Дело в том, что в силу конечности скорости света наблюдение
объектов на больших расстояниях эквивалентно заглядыванию в прошлое.

Темп образования галактик и их скоплений определяется скоростью роста
возмущений плотности, которая, в свою очередь, зависит от параметров
космологической модели, в частности от соотношения вещества и темной энергии. Во
Вселенной с большой долей темной энергии возмущения растут медленно, а значит,
сегодня скоплений галактик должно быть ненамного больше, чем в прошлом, и с
расстоянием их число будет убывать медленно. Напротив, во Вселенной без темной
энергии количество скоплений довольно быстро сокращается с углублением в
прошлое. Выяснив из наблюдений темп появления новых скоплений галактик, можно
получить независимую оценку плотности темной энергии.

Есть и другие независимые наблюдательные аргументы, подтверждающие
существование однородной среды, которая оказывает определяющее влияние на
строение и эволюцию Вселенной. Можно сказать, что утверждение о существовании
темной энергии стало итогом развития всей наблюдательной космологии ХХ века.

Вакуум и другие модели

Если в существовании темной энергии большинство космологов уже не
сомневаются, то вот относительно ее природы ясности пока нет. Впрочем, физики не
первый раз попадают в такое положение. Многие новые теории начинаются с
феноменологии, то есть формального математического описания того или иного
эффекта, а интуитивно понятные объяснения появляются намного позже. На сегодня,
описывая физические свойства темной энергии, космологи произносят слова, которые
для непосвященного больше похожи на заклинание: это среда, давление которой
равно плотности энергии по величине, но противоположно по знаку. Если это
странное соотношение подставить в уравнение Эйнштейна из общей теории
относительности, то окажется, что такая среда гравитационно отталкивается от
самой себя и, как следствие, ускоренно расширяется и ни за что не соберется ни в
какие сгустки.

Нельзя сказать, что мы часто имеем дело с подобной материей. Однако именно
так уже на протяжении многих лет физики описывают вакуум. По современным
представлениям, элементарные частицы существуют не в пустом пространстве, а в
особой среде — физическом вакууме, который как раз и определяет их свойства. Эта
среда может находиться в различных состояниях, отличающихся плотностью
запасенной энергии, и в разных видах вакуума элементарные частицы ведут себя
по-разному.

Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено
существование неустойчивого, более энергичного вакуума, который соответствует
так называемому электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при
энергиях частиц свыше 100 гигаэлектронвольт — это всего на порядок ниже предела
возможностей современных ускорителей. Еще более энергичные виды вакуума
предсказаны теоретически. Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не
нулевой плотностью энергии, а как раз такой, которая дает нужное значение
лямбда-члена в уравнении Эйнштейна.

Однако эта красивая идея, состоящая в том, чтобы приписать темную энергию
вакууму, не вызывает восторга у исследователей, работающих на стыке физики
элементарных частиц и космологии. Дело в том, что такой разновидности вакуума
должна соответствовать энергия частиц всего около тысячной доли электронвольта.
Но этот энергетический диапазон, лежащий на границе между инфракрасным и
радиоизлучением, уже давно вдоль и поперек изучен физиками, и ничего аномального
там не обнаружено.

Поэтому исследователи склоняются к тому, что темная энергия — это проявление
нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля. Эта
идея аналогична той, что лежит в основе современной инфляционной космологии. Там
тоже сверхбыстрое расширение молодой Вселенной происходит под действием так
называемого скалярного поля, только его плотность энергии гораздо выше той, что
ответственна за нынешнее неспешное ускорение в расширении Вселенной. Можно
предположить, что поле, являющееся носителем темной энергии, осталось как реликт
Большого взрыва и долгое время находилось в состоянии «спячки», пока длилось
доминирование сначала излучения, а потом темной материи.

Отрицательное давление и гравитационное отталкивание

Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство —
отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих гравитационных
сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об антигравитации. В этом
утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их последовательно.

Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как
известно, связано с движением молекул. Ударясь о стенку сосуда, молекулы газа
передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не
могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в
твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного
давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный
сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв,
она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет,
отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если
шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении
энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной
плотность вещества и темной энергии.

Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием
отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по
крайней мере, замедлять свое расширение, начавшееся в момент Большого взрыва. Но
все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии
слишком… велико.

Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не
только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше
давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она
слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и
Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот
отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает
притяжение и ее собственной массы, и массы всего остального вещества.
Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением
парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием
собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое,
стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что
граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само
государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются
его разрушением? Таковы свойства людей — они сопротивляются подавлению. Почему
сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы
свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия — это не
объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии.

Как взвесить структуру?

Темная энергия — важнейшее свидетельство существования явлений, которые не
описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств —
важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу
темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как
менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить
зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии
надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути
необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные
способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием
структурного аргумента в пользу ее существования.

Пирамида материи во Вселенной по современным представлениям.

Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от
плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и
препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати,
поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься,
постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать»
взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем
максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он
будет только уменьшаться.

Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно
научиться «взвешивать» структуру Вселенной — галактики и их скопления — на
разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты
измерения — галактики — хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях.
Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их
структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения
галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею
неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется ее
гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик
деформируются. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Измеряя
возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования
света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее
запланированы космические эксперименты — ведь надо достичь максимальной точности
измерения.

Итак, мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной
нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо факта ее
существования, — это уравнение состояния вакуумоподобного типа, та самая
своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока нам неизвестно,
меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то как. А значит, все
рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются спекулятивными, основанными в
значительной мере на эстетических воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру
точной космологии, основанной на высокотехнологичных инструментах для наблюдения
и развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет и
дальше развиваться такими же темпами, как сегодня, загадка темной энергии будет
разгадана уже нынешним поколением исследователей.

Владимир Лукаш, Елена
Михеева

Журнал «Вокруг Света»: Темная энергия вселенной

Темная энергия

Темной энергии не существует? Новые свидетельства, опровергающие принятую модель устройства Вселенной

• Николай Воронин
• Корреспондент по вопросам науки

21 января 2020

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды ученые используют в качестве «стандартной свечи»

Современная наука утверждает, что наша Вселенная лишь на 5% состоит из «обычной», привычной нам материи. Еще примерно четверть составляет загадочная темная материя, о которой нам известно довольно мало, поскольку она недоступна прямому наблюдению.

Наибольшая же часть — оставшиеся две трети — приходятся на еще более загадочную темную энергию, о которой мы и вовсе не знаем практически ничего, но именно она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Однако недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи, сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах.

• Звездный фейерверк, снеговик и селфи на Марсе. Космос в фотографиях 2019 года
• «Звездный монстр»: ученые обнаружили огромную черную дыру, которая не должна существовать

Сенсационное заявление прозвучало на собрании Американского астрономического сообщества в Гонолулу и вызвало ожесточенную полемику в научных кругах, поскольку фактически ставит под вопрос принятую на сегодняшний день модель устройства Вселенной.

Критики работы указывают на ее возможные недостатки и напоминают о других косвенных доказательствах устоявшейся теории.

Однако, несмотря на все усилия, ученые уже 20 лет не могут объяснить природу темной энергии (или хотя бы приблизиться к такому объяснению). И сенсационная работа южнокорейских астрономов — не первая попытка опровергнуть само ее существование.

Что такое темная энергия?

В 1990-е годы астрономы обнаружили, что галактики не просто разбегаются в разные стороны, а делают это все быстрее и быстрее — то есть Вселенная расширяется с ускорением.

Это открытие сильно озадачило ученых, поскольку совершенно не укладывалось в принятую модель. Наблюдения телескопов опровергали сам принцип гравитации: ведь силы притяжения, возникающие между любыми материальными объектами, по идее должны замедлять расширение, а никак не ускорять его.

Для того чтобы как-то объяснить это противоречие, и была выдвинута гипотеза темной энергии — некой неведомой силы, которая заставляет галактики ускоряться.

Грубо говоря, ученые обнаружили в существующей теории дыру и наложили на нее заплатку: ввели в уравнение новую переменную, которая позволяла сойтись сделанным ранее расчетам.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Так эффект темной энергии изображают в НАСА

С тех пор наблюдения астрономов принесли еще несколько не вполне объяснимых результатов, однако каждый раз их выручала все та же «математическая заплатка». С ней формулы сходились — а значит, существование загадочной энергии получало все новые косвенные подтверждения.

В 2011 году открытие ускоряющейся Вселенной было удостоено Нобелевской премии по физике, а гипотеза о темной энергии окончательно легла в основу современной космологии.

Как было сделано это открытие?

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Один из способов измерить расстояние в астрономии — так называемый метод «стандартных свечей», на основе наблюдения за сверхновыми звездами определенного типа.

Когда звезда из типа белых карликов резко сжимается под действием гравитации и взрывается, этот взрыв сопровождается яркой вспышкой сверхновой. При этом, где бы ни располагалась такая звезда, ее яркость (ученые используют термин «светимость») примерно одинакова — во всяком случае так было принято считать до последнего времени.

Однако при наблюдении с Земли яркость сильно зависит от расстояния: чем ближе взорвавшаяся звезда, тем ярче вспышка. И это позволяет довольно точно рассчитать, насколько далеко произошел взрыв.

Помимо «стандартных свечей», для расчета астрономических расстояний используются и другие способы — например, уравнение Хаббла, составленное для равномерно расширяющейся Вселенной. И когда разные методы дают один и тот же результат, они как бы подтверждают друг друга.

Но в 1998 году астрономы вдруг обнаружили, что в удаленных галактиках разные способы подсчета приводят к разному результату. Расстояние, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается значительно больше, чем рассчитанное ранее по методу Хаббла.

Подпись к фото,

«Карта» темной материи, составленная в 2006 году

Численный анализ заставил ученых предположить, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось ранее, и расширение это происходит с ускорением.

20 лет назад эта гипотеза звучала совершенно революционно, но сегодня в научном мире это общепринятая точка зрения.

Что изменилось теперь?

Команда астрономов из Университета Ёнсе в Сеуле и Лионского университета провела наиболее точные измерения возраста большинства галактик, где наблюдались вспышки сверхновых.

Результаты исследования, на которое ушло девять лет, показали, что яркость сверхновых звезд абсолютно соотносится с возрастом родительской галактики и не требует никаких дополнительных переменных. То есть в галактиках разного возраста светимость сверхновых будет разной.

Другими словами, расхождение измерений, поставившее ученых в тупик в 1998 году, легко объясняется одной лишь эволюцией яркости звезд — и нет никаких оснований предполагать, что Вселенная расширяется с ускорением.

А значит, отпадает и необходимость объяснения этого ускорения — загадочная темная энергия оказывается просто не нужна.

«Как говорил [американский астроном] Карл Саган, экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, а я вовсе не уверен, что у нас есть подобные экстраординарные доказательства существования темной энергии», — заявил руководитель исследования, профессор Ён Вук Ли.

«Наши результаты показывают, что сама гипотеза темной энергии на основе космологии сверхновых, удостоенная в 2011 году Нобелевской премии по физике, может базироваться на ненадежном и попросту ошибочном предположении», — утверждает он.

Ученые 20 лет искали то, чего нет?

Публикация работы южнокорейских астрономов подлила масла в огонь ожесточенной полемики, которая разгорелась в научном сообществе в последнее время.

Дело в том, что в ноябре и декабре были опубликованы сразу две работы, предлагающие альтернативные объяснения ускорению Вселенной.

В одной статье оно объясняется квантовыми свойствами материи (так называемым эффектом Казимира). В другой и вовсе делается предположение, что Вселенная на самом деле не ускоряется: противоречия в измерениях 1998 года объясняются лишь точкой, из которой ведется наблюдение.

«Важно понимать, что непосредственно ускоренное космологическое расширение наблюдать невозможно, — поясняет автор первой статьи Артем Асташенок, возглавляющий лабораторию астрофизики и космологии в Балтийском федеральном университете. — Когда астрофизики говорят об этом, то речь всегда идет об интерпретации тех или иных измерений».

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды

Так или иначе, все три опубликованные в последние месяцы работы объединяет одно: ни одна из них не требует существования темной энергии. Той самой невидимой силы, которую физики и астрономы искали последние 20 лет. Той самой, за «открытие» которой в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Той самой, которая лежит в основе современных представлений о Вселенной.

Возможно, сама гипотеза о ее существовании изначально была ошибкой.

Что все это значит?

Наука постоянно развивается, углубляя наши представления об окружающем мире. Но выдвигаемые теории, объясняющие тот или иной феномен, не так уж редко впоследствии оказываются неточными или даже откровенно ошибочными.

Например, сейчас любой школьник знает, что горение — это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом. Однако этот химический элемент был открыт только в конце XVIII века, а до этого ученые считали, что все горючие вещества наполняет таинственная огненная субстанция — флогистон, который высвобождается при горении и смешивается с воздухом.

Когда выяснилось, что при прокаливании стали масса металла не уменьшается, а наоборот увеличивается, ученые озадачились — но быстро придумали объяснение: очевидно, флогистон обладает отрицательной массой.

Даже открытый в 1774 году кислород поначалу называли «дефлогистированный воздух» — то есть воздух, который очищен от флогистона и потому лучше поддерживает горение.

И темная энергия вполне может оказаться «флогистоном XXI века» — если в итоге выяснится, что на самом деле расширение Вселенной не ускоряется.

С другой стороны, наблюдения последних 20 лет дали ученым немало результатов, косвенно свидетельствующих в пользу ускоренного расширения (1, 2). И не очень понятно, как объяснять эти наблюдения, если отказаться от принятой теории.

«В таком важном вопросе требуется комплексный подход, поэтому рано говорить о том, что ускоренное расширение Вселенной связано просто с ошибочной интерпретацией данных наблюдений, — предупреждает Асташенок. — Но сама по себе возможность объяснить ускоренное расширение без темной энергии весьма интересна».

«Конечно, с точки зрения «бритвы Оккама», обойтись без темной энергии было бы хорошо, — резюмирует эксперт, — это избавило бы от многих проблем. Так что подождем развития дискуссии».

Земное небо | Что такое темная энергия?

Иллюстрация, показывающая снимки моделирования, проведенного астрофизиком Фолькером Спрингелем из Института Макса Планка в Германии. Он представляет собой рост космической структуры (галактики и пустоты), когда Вселенной было 0,9 миллиарда, 3,2 миллиарда и 13,7 миллиарда лет (сейчас). Изображение предоставлено Volker Springel/MPE/Kavli Foundation.

Темная энергия — это имя, данное таинственной силе, которая заставляет скорость расширения нашей Вселенной со временем ускоряться, а не замедляться. Это противоречит тому, что можно было бы ожидать от вселенной, возникшей в результате Большого взрыва. Астрономы в 20-м веке узнали, что Вселенная расширяется. Они думали, что расширение может продолжаться вечно или, в конце концов, — если у Вселенной будет достаточно массы и, следовательно, достаточной собственной гравитации — развернуться и вызвать Большое сжатие. Теперь, в космологии начала 21 века, эта идея получила развитие. Вселенная рассматривается как расширяющаяся сегодня быстрее, чем миллиарды лет назад. Что может быть причиной увеличения скорости расширения? Сейчас астрономы иногда говорят о силе отталкивания как о возможном способе ее понимания.

Вплоть до конца 1990-х годов большинство космологов считали, что у Вселенной недостаточно массы, чтобы вызвать Большое сжатие. В частности, данные, полученные в ходе 2dF-обзора красного смещения галактики и Слоановского цифрового обзора неба, казалось, подтверждали, что Вселенная будет расширяться вечно, хотя и со все более медленными темпами, поскольку собственная масса Вселенной и собственная гравитация пытаются оттянуть ее назад.

Первое указание на то, что вот-вот откроется что-то революционное, появилось в 1998 году во время исследования сверхновых типа 1А. Эти массивные взрывы умирающих гигантских звезд чрезвычайно полезны для астрономов, потому что они всегда излучают одинаковое количество света и поэтому могут использоваться как так называемые «стандартные свечи» для расчета расстояний в космосе. Это очень простая идея. Подумайте о светлячках ночью: все они сияют с одинаковой внутренней яркостью. Измерив их яркость с того места, где вы находитесь, вы можете рассчитать расстояние до них.

Исследование 1998 года проводилось двумя международными группами астрономов, включая американцев Адама Рисса и Сола Перлмуттера, а также Брайана Шмидта в Австралии. Используя восемь телескопов по всему миру, их цель состояла в том, чтобы использовать расстояние до сверхновых типа 1A для расчета скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла (хотя в действительности, поскольку скорость расширения Вселенной меняется со временем, технически это не константа).

Результаты опроса были ошеломляющими. Далекие сверхновые, которые взорвались, когда возраст Вселенной составлял всего 2/3 ее нынешнего возраста, были намного слабее, чем должны были быть, и поэтому находились намного дальше. Следствием этого было то, что Вселенная расширялась намного быстрее, чем должна была бы, если бы современные представления были верны.

На этой диаграмме показаны изменения скорости расширения с момента рождения Вселенной 15 миллиардов лет назад. Чем более пологая кривая, тем выше скорость расширения. Кривая заметно изменилась около 7,5 миллиардов лет назад, когда объекты во Вселенной начали разлетаться с большей скоростью. Астрономы предполагают, что более высокая скорость расширения связана с таинственной темной силой: темной энергией. Изображение предоставлено NASA/STSci/Ann Feild/HubbleSite.

Когда эти результаты были встречены астрономическим сообществом с большим скептицизмом, наблюдения вскоре были воспроизведены другими группами и другими методами. К рубежу тысячелетий стало ясно, что расширение Вселенной не замедляется, как это было принято считать. На самом деле ускоряется.

Что еще более странно, расширение замедлилось, как и следовало ожидать, до семи или восьми миллиардов лет после Большого взрыва. Но затем, по совершенно неизвестным причинам, таинственная «антигравитационная сила» начала доминировать, преодолевая тормоз, который гравитация накладывала на расширение, которое затем обращало свое замедление вспять и начинало ускоряться.

Можете себе представить, каким шоком было это открытие для астрономов и космологов.

Сила, ответственная за это ускорение, была названа темная энергия учеными. В этом случае темное означает неизвестное , а не буквально темное, как в случае с темной материей. Следует отметить, что темная энергия и темная материя — совершенно не связанные между собой явления. Подробнее: Что такое темная материя?

Чтобы добавить к тайне, свойства этой странной темной энергии, кажется, соответствуют космологической постоянной Эйнштейна, которую иногда называют его вымышленным фактором , а позже сам Эйнштейн описал как величайшую профессиональную ошибку в своей жизни. Эйнштейн ненавидел идею расширяющейся Вселенной, предпочитая статическую идею, постулируемую стационарной космологией, которая была популярна в начале 20 века. Он изобрел антигравитационную силу неопределенного происхождения, чтобы противодействовать наблюдаемому расширению Вселенной, которое привело бы к нерасширяющейся Вселенной. Однако позднее Эйнштейн отказался от этой идеи, не подкрепленной наблюдениями.

Темная энергия — одна из величайших неразгаданных тайн космологии. В настоящее время считается, что она составляет 68% всего во Вселенной, при этом нормальная, так называемая «барионная» материя — каждая частица материи, которую мы можем увидеть, — составляет всего 5%, а остальная часть состоит из темной материи, еще огромная космическая тайна.

Темная энергия ведет себя подобно антигравитационной силе Эйнштейна, но ее природа и происхождение остаются неизвестными. Одна из ее величайших загадок заключается в том, почему темная энергия начала доминировать в скорости расширения Вселенной в определенный момент времени через миллиарды лет после Большого взрыва. Если он существует сейчас, то почему его не было все это время?

Физика темной энергии весьма спекулятивна. Одна идея, получившая распространение в последние годы, заключается в том, что темная энергия напоминает силу, известную как «квинтэссенция», которая является родственником поля Хиггса. Но пока нет никаких данных наблюдений, подтверждающих или опровергающих это.

Космологи также понятия не имеют, будет ли темная энергия продолжать ускорять расширение Вселенной вечно, что приведет к сценарию в далеком будущем, когда ускорение преодолеет силы, удерживающие вселенную вместе, и буквально разорвет всю материю в космосе на части. , в кошмарном сценарии, известном как Большой разрыв.

Существует несколько текущих и будущих космических миссий и наземных исследований, которые изучат природу темной энергии, включая орбитальный телескоп НАСА WFIRST и международное исследование темной энергии, базирующееся в Чили.

Есть надежда, что вскоре мы придем к более глубокому пониманию этой таинственной силы, оказывающей такое влияние на будущее космоса, но для этого понимания нам необходимо набросать гораздо более полную историю Вселенной. . Однако археология 13,7 миллиардов лет чрезвычайно сложна и требует много времени, поскольку так много древних пластов в этой истории отсутствует или нечетко, поэтому мы не можем ожидать каких-либо внезапных открытий.

Итог: Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывали старые теории. Темная энергия, одна из величайших неразгаданных тайн космологии, может вызвать ее ускоренное расширение. В настоящее время считается, что темная энергия составляет 68% всего во Вселенной.

Энди Бриггс

Просмотр статей

Об авторе:

Энди Бриггс провел последние 30 лет, знакомя людей с астрономией, астрофизикой и информационными технологиями. Вы можете услышать его еженедельные обновления астрономических и космических новостей по понедельникам на глобальном интернет-радиоканале AstroRadio (http://www.astroradio.earth), где он также участвует в других программах. Он принимал активное участие во многих астрономических обществах Великобритании и часто публикуется в журнале Astronomy Ireland. Энди также регулярно читает лекции на темы, связанные с астрофизикой, такие как гравитационные волны и черные дыры. Он живет в Каталонии, Испания, со своей дочерью.

Темная материя и темная энергия

Видимая вселенная — , включая Землю, Солнце, другие звезды и галактики — , состоит из протонов, нейтронов и электронов, объединенных в атомы. Возможно, одним из самых удивительных открытий 20-го века было то, что эта обычная, или барионная, материя составляет менее 5 процентов массы Вселенной.

Остальная часть Вселенной, по-видимому, состоит из загадочной невидимой субстанции, называемой темной материей (25 процентов), и силы, которая отталкивает гравитацию, известной как темная энергия (70 процентов).

Раскрытие тайны

Ученые еще не наблюдали темную материю напрямую. Он не взаимодействует с барионной материей и совершенно невидим для света и других форм электромагнитного излучения, что делает невозможным обнаружение темной материи современными инструментами. Но ученые уверены, что он существует из-за гравитационных эффектов, которые он оказывает на галактики и скопления галактик.

Например, согласно стандартной физике, звезды на краях вращающейся спиральной галактики должны двигаться намного медленнее, чем звезды вблизи галактического центра, где сосредоточена видимая материя галактики. Но наблюдения показывают, что звезды вращаются с более или менее одинаковой скоростью независимо от того, где они находятся в галактическом диске. Этот загадочный результат имеет смысл, если предположить, что пограничные звезды испытывают гравитационное воздействие невидимой массы 9.0057 — темная материя — в гало вокруг галактики.

Темная материя также может объяснить некоторые оптические иллюзии, которые астрономы видят в глубинах Вселенной. Например, изображения галактик со странными кольцами и световыми дугами можно объяснить, если свет от еще более далеких галактик искажается и усиливается массивными невидимыми облаками темной материи на переднем плане — явление, известное как гравитационное линзирование.

У ученых есть несколько идей о том, чем может быть темная материя. Одна из ведущих гипотез состоит в том, что темная материя состоит из экзотических частиц, которые не взаимодействуют с обычной материей или светом, но все же оказывают гравитационное притяжение. Несколько научных групп, в том числе группа на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, в настоящее время работают над созданием частиц темной материи для изучения в лаборатории.

Другие ученые считают, что эффекты темной материи можно объяснить, коренным образом изменив наши теории гравитации. Согласно таким представлениям, существует множество форм гравитации, и крупномасштабная гравитация, управляющая галактиками, отличается от гравитации, к которой мы привыкли.

Расширяющаяся Вселенная

Темная энергия еще более загадочна, и ее открытие в 1990-х годах стало для ученых полным шоком. Ранее физики предполагали, что сила притяжения гравитации будет замедлять расширение Вселенной с течением времени. Но когда две независимые команды попытались измерить скорость замедления, они обнаружили, что расширение на самом деле ускоряется. Один ученый сравнил это открытие с подбрасыванием в воздух связок ключей, ожидая, что они упадут обратно, но только для того, чтобы увидеть, как они летят прямо к потолку.

Теперь ученые считают, что ускоренное расширение Вселенной обусловлено некой силой отталкивания, создаваемой квантовыми флуктуациями в «пустом» пространстве. Более того, кажется, что эта сила становится сильнее по мере расширения Вселенной. За неимением лучшего названия ученые называют эту таинственную силу темной энергией.

В отличие от темной материи, у ученых нет правдоподобного объяснения темной энергии. Согласно одной идее, темная энергия — это пятый и ранее неизвестный тип фундаментальной силы, называемой квинтэссенцией, которая наполняет вселенную подобно жидкости.

Многие ученые также отмечали, что известные свойства темной энергии согласуются с космологической постоянной, математическим пластырем, который Альберт Эйнштейн добавил к своей общей теории относительности, чтобы его уравнения соответствовали понятию статической Вселенной. Согласно Эйнштейну, константа — это сила отталкивания, противодействующая гравитации и удерживающая Вселенную от коллапса сама по себе. Позже Эйнштейн отказался от этой идеи, когда астрономические наблюдения показали, что Вселенная расширяется, назвав космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой».

Теперь, когда мы видим, что расширение Вселенной ускоряется, добавление темной энергии в качестве космологической постоянной может точно объяснить, как пространство-время растягивается. Но это объяснение по-прежнему оставляет ученых в неведении относительно того, почему странная сила вообще существует.

Читать дальше

Знакомство с последними каменщиками соборов Англии

• Путешествия

Знакомство с последними каменщиками соборов Англии

Работа каменщика далеко не одномерна.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе в истории

2 Как НАСА

2 Марсоходы

2 будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении истории

2 Марсоход NASA будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Подробнее

Темная энергия | КОСМОС

Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, которая оказывает отрицательное отталкивающее давление и ведет себя как противоположность гравитации. Было высказано предположение, что это объясняет наблюдательные свойства далеких сверхновых типа Ia, которые показывают, что Вселенная проходит ускоренный период расширения. Как и темная материя, темная энергия не наблюдается напрямую, а выводится из наблюдений за гравитационными взаимодействиями между астрономическими объектами.

Схематическое изображение полной плотности энергии-массы во Вселенной.
Авторы и права: Swinburne

Темная энергия составляет 72% от общей плотности энергии-массы во Вселенной. Другим доминирующим вкладчиком является темная материя, а небольшое ее количество приходится на атомы или барионную материю.

В 1998 году две группы астрономов объявили, что далекие сверхновые z~1 типа Ia были немного слабее, чем предсказывает модель расширяющейся (но замедляющейся) Вселенной. Чтобы быть тусклее, сверхновые должны быть дальше, а это требует, чтобы в прошлом расширение Вселенной было медленнее. Обе команды согласились, что Вселенная переживает фазу ускоренного расширения. Темная Энергия была вызвана для управления этим ускорением.

В начале 20-го века Альберт Эйнштейн обратился к «космологической постоянной» (обычно обозначаемой греческой буквой лямбда, Λ). Это была вакуумная энергия пустого пространства, которая удерживала вселенную (предсказанную его уравнениями поля общей теории относительности) в статике, а не сжималась или расширялась. Это обеспечило способ уравновесить гравитационное сжатие, вызванное материей. Как только было обнаружено, что Вселенная расширяется, Эйнштейн поспешно удалил свою космологическую постоянную. Однако, если темная энергия описывается чем-то вроде космологической постоянной Эйнштейна, она не просто уравновешивает гравитацию, чтобы сохранить статичную Вселенную, но имеет отрицательное давление, вызывающее ускорение расширения.

Были предложены и другие типы темной энергии, в том числе космическое поле, связанное с инфляцией, и другое низкоэнергетическое поле, получившее название «квинтэссенция».

Считается, что очень ранняя Вселенная также прошла через период быстрого расширения, называемого инфляцией. Инфляция, произошедшая примерно через 10 ⁻³⁶ секунд после Большого взрыва, сгладила Вселенную и сделала ее геометрически плоской. Если плотность Вселенной в точности равна критической плотности, то геометрия Вселенной плоская, как лист бумаги. Для Вселенной, где преобладает материя, критическая плотность (эквивалентная примерно 6 протонам на м ³ ) находится точно между плотностью, необходимой для тяжелой Вселенной, которая в конечном итоге схлопнется, и плотностью, необходимой для легкой Вселенной, которая будет расширяться вечно. Когда сегодня астрономы измеряют количество материи и энергии во Вселенной, они получают примерно около 30% того, что необходимо для того, чтобы Вселенная стала плоской. Добавление темной энергии к балансу массы и энергии делает вселенную плоской. Простейшая версия инфляции предсказывает, что плотность Вселенной очень близка к критической плотности.

Космический корабль WMAP измерил геометрию Вселенной. Если бы Вселенная была плоской, самые яркие фоновые флуктуации (или «пятна») космического микроволнового излучения имели бы диаметр около 1 градуса. WMAP подтвердил этот размер пятна с очень высокой точностью. Теперь мы знаем, что Вселенная плоская, с погрешностью всего 2%.

Далекие сверхновые типа Ia.
Авторы и права: П. Гарнавич (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) и группа поиска сверхновых звезд High-z и НАСА. земля, огонь и вода. В то время как космологическая постоянная — это особая форма энергии, энергия вакуума, квинтэссенция — это динамичная, развивающаяся во времени и пространственно зависимая форма энергии. Это квантовое поле с кинетической и потенциальной энергией.

В зависимости от соотношения двух энергий и давления, которое они оказывают, квинтэссенция может либо притягивать, либо отталкивать. У него есть уравнение состояния (связывающее его давление p и плотность ρ) p = wρ, где w равно уравнению состояния энергетического компонента, доминирующего во Вселенной. Если w претерпевает переход к значению менее -1/3, это инициирует ускоренное расширение. Напротив, космологическая постоянная статична, с фиксированной плотностью энергии и w = −1.