Тъмна енергия — какво е и защо ускорява разширяването на Вселената

Тъмна енергия: какво представлява и защо ускорява разширяването на Вселената — ясни обяснения, последни открития и водещи хипотези за антигравитацията.

Тъмната енергия е името на невидимата „сила“ или свойство на пространството, за което се смята, че предизвиква ускореното разширяване на Вселената. Наблюденията показват, че отдалечените галактики се отдалечават от нас все по-бързо: вселената се разширява още от времето на Големия взрив, но измерванията от последните десетилетия доказват, че скоростта на това разширяване нараства — галактиките сякаш се ускоряват от нас. Учените наричат причиняващия това ефект „тъмна енергия“.

Как разбраха, че разширяването се ускорява?

Първите ясни доказателства дойдоха в края на 1990-те години от наблюдения на свръхнови тип Ia — те служат като „стандартни свещи“ за измерване на разстояния. Екипи, водени от Саул Перлмутър, Адам Рийс и Брайън Шмид, установиха, че отдалечените свръхнови изглеждат по-слаби, отколкото би се очаквало при постоянно или забавящо се разширяване — най-доброто обяснение беше ускорение. По-късно независими данни от космичния микровълнов фон (например WMAP, Planck) и от Baryon Acoustic Oscillations (BAO) потвърдиха картината и наложиха модела Lambda-CDM като най-доброто описание на наблюдаваната вселена.

Какво точно представлява тъмната енергия?

Краткият отговор е: не знаем със сигурност. Има няколко водещи идеи:

• Космологична константа (Λ) — най-простото обяснение, предложено още от общата теория на относителността: празното пространство притежава собствена енергия (енергия на вакуума), която има постоянна плътност и отрицателно налягане, предизвикващо ускорение. В този случай параметърът на уравнението на състоянието w = p/ρ е точно −1.
• Динамично поле (квинтесенция) — тъмната енергия може да е форма на скаларно поле, което се променя с времето и пространството, така че w може да е различно от −1 и да варира във времето.
• Модификация на гравитацията — възможно е законите на гравитацията да се различават от общата теория на относителността на много големи мащаби; ускорението може да произлиза от промяна в гравитацията, а не от нова форма на енергия.

Защо е това голям проблем за теоретичната физика?

Проблемите са поне два основни:

• Космологичният константен проблем: Квантовата теория предвижда енергия на вакуума, но нейната теоретична стойност е с порядък до 10^120 пъти по-голяма от наблюдаваната плътност на тъмната енергия. Това е огромно несъответствие, което показва, че разбирането ни за връзката между квантовата теория и гравитацията е непълно.
• Финото „устройване“ (fine-tuning) и загадката защо тъмната енергия става доминираща точно в наши времена: Вселената съдържа и материя (обикновена и тъмна), и тъмна енергия. Днес плътността на тъмната енергия и на материята са от една и съща величина по редица порядъци — учените се питат дали това е просто случайност или указва някакъв по-дълбок физичен принцип.

Как тъмната енергия причинява ускорение?

В рамките на общата теория на относителността не само масата, но и налягането влияят на гравитацията. Ако дадено съдържание на Вселената има голямо отрицателно налягане (p), то общият ефект може да бъде отблъскващ, а не привличащ. Това води до ускорено разширяване. Космологичната константа е формализация на такова отрицателно налягане с w = −1.

Колко от Вселената е тъмна енергия?

Според най-добрите наблюдения (Planck и други комбинирани данни) около 68% от енергийната плътност на Вселената се пада на тъмната енергия; около 27% е тъмната материя, а останалите ~5% са обикновената (бактериална) материя.

Как се изследва тъмната енергия и какво следва?

Астрономите и физиците използват няколко независими метода: наблюдение на свръхнови тип Ia, измервания на колебанията в космичния микровълнов фон, изследване на BAO като „стандартен метър“, картографиране на големите структури и слаба гравитационна леща. За в бъдеще са планирани и провеждани големи мисии и проекти — например Euclid (ESA), Nancy Grace Roman Space Telescope (NASA), Rubin Observatory (LSST) и DESI — които ще измерват разширяването и растежа на структури с изключителна точност и ще помагат да се отличат между постоянна космологична константа, динамична квинтесенция или модификация на гравитацията.

Въпреки напредъка, космолозите, които изучават този проблем, продължават да нямат окончателен отговор. Сякаш има нещо в празното пространство, което осигурява отблъскваща сила (понякога наричана неформално „антигравитация“), която кара Вселената да се разширява по-бързо. Тази неясна съставка е наречена тъмна енергия.

В изследователска статия от 2011 г. и в множество по-късни работи е подробно разгледан проблемът за теоретичната физика — защо наблюдаваната стойност на тъмната енергия е толкова малка и какъв фундаментален принцип може да обясни появата ѝ. Решението на тази загадка може да доведе до ново разбиране на природата на пространството, времето и взаимодействията в най-големи мащаби.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява тъмната енергия?

В: Защо далечните галактики изглежда се отдалечават от нас с голяма скорост?

В: Как астрономите могат да установят, че далечните галактики се ускоряват от нас?

В: Вселената разширява ли се с постоянна скорост?

В: Каква е причината за нарастващата скорост на разширяване на Вселената?

В: Какво предполага теорията за тъмната енергия за бъдещето на Вселената?

Въпрос: Колко значими са измерванията на тъмната енергия за разбирането ни за Вселената?

Търсене по буква