Темна енергія — це загадковий компонент Всесвіту, що викликає прискорення його розширення. Хоча вона становить більшість загальної енергетичної щільності Всесвіту, її точна природа залишається одним із найбільших нерозв’язаних питань сучасної фізики та космології. Відкриття темної енергії наприкінці 1990-х років, спостерігаючи далекі наднові, змінило наше розуміння космічної еволюції і стимулювало інтенсивні дослідження як на теоретичному, так і на спостережному рівнях.
У цій статті ми розглянемо:
- Історичний контекст і космологічна константа
- Докази з наднових типу Ia
- Додаткові методи: КМФ і велика структура
- Тамсі енергії пріґлітність: ΛCDM і альтернативи
- Несузгодженості спостережень і сучасні дискусії
- Перспективи майбутніх досліджень і експериментів
- Підсумкові думки
1. Історичний контекст і космологічна константа
1.1 «Найбільша помилка» Ейнштейна
1917 р., незабаром після створення Загальної теорії відносності, Альберт Ейнштейн у своїх польових рівняннях [1] представив так звану космологічну константу (Λ). Тоді панувала впевненість у статичному, вічному Всесвіті. Ейнштейн додав Λ, щоб збалансувати гравітаційну силу на космічному рівні і таким чином забезпечити статичне рішення. Однак у 1929 р. Едвін Хаббл показав, що галактики віддаляються від нас, що означало розширюваний Всесвіт. Пізніше Ейнштейн, вважаючи, що для розширюваного Всесвіту Λ більше не потрібна, назвав її своєю «найбільшою помилкою».
1.2 Ранні натяки на ненульову Λ
Незважаючи на жаль Ейнштейна, ідея ненульової космологічної константи не була забута. У наступні десятиліття фізики розглядали її в контексті теорії квантового поля, де вакуумна енергія може сприяти густині енергії самого простору. Проте до кінця XX століття не було вагомих спостережних підстав вважати, що розширення Всесвіту прискорюється. Тому Λ залишалася скоріше інтригуючою можливістю, ніж твердо доведеним явищем.
2. Докази з наднових типу Ia
2.1 Прискорений Всесвіт (1990-ті роки XX ст.)
Наприкінці 1990-х дві незалежні групи — High-Z Supernova Search Team і Supernova Cosmology Project — вимірювали відстані до далеких наднових типу Ia. Ці наднові вважаються «стандартними свічками» (точніше, стандартизованими свічками), оскільки їх внутрішню світність можна визначити за світловими кривими.
Вчені очікували, що розширення Всесвіту сповільнюється під впливом гравітації. Однак виявилося, що далекі наднові блідіші, ніж очікувалося — отже, вони знаходяться далі, ніж передбачала модель уповільнення. Вражаючий висновок: розширення Всесвіту прискорюється [2, 3].
Головний висновок: Має існувати відштовхувальна «антигравітаційна» сила, яка долає космічне уповільнення — сьогодні широко відома як темна енергія.
2.2 Визнання Нобелівською премією
Ці відкриття, що змінили наше розуміння Всесвіту, призвели до того, що у 2011 році Нобелівську премію з фізики було присуджено Саулю Перлмуттеру, Браяну Шмідту та Адаму Ріссу за відкриття прискореного розширення Всесвіту. Так темна енергія за досить короткий час з теоретичної гіпотези стала ключовим компонентом космологічної моделі.
3. Додаткові методи: КМФ і велика структура
3.1 Космічний мікрохвильовий фон (КМФ)
Незабаром після відкриття наднових експерименти з повітряними кулями, такі як BOOMERanG і MAXIMA, а пізніше супутникові місії WMAP і Planck, надали надзвичайно точні вимірювання космічного мікрохвильового фону (КМФ). Дані цих спостережень свідчать, що Всесвіт є майже просторово плоским, тобто загальний параметр густини енергії Ω ≈ 1. Проте як баріонна, так і темна матерія становлять лише близько Ωm ≈ 0.3.
Імплікація: Коли Ωtotal = 1, має існувати компонент, що заповнює решту — темна енергія, яка становить близько ΩΛ ≈ 0.7 [4, 5].
3.2 Баріонні акустичні коливання (BAO)
Баріонні акустичні коливання (BAO) у розподілі галактик — ще один незалежний метод дослідження розширення Всесвіту. Порівнюючи спостережуваний масштаб цих «звукових хвиль» у великомасштабній структурі при різних червоних зсувів, астрономи можуть відтворити, як змінювалося розширення з часом. Такі великомасштабні огляди неба, як SDSS (Sloan Digital Sky Survey) і eBOSS, підтверджують висновки наднових і CMB: у Всесвіті домінує темна енергія, що стимулює прискорене розширення на пізніх етапах [6].
4. Природа темної енергії: ΛCDM та альтернативи
4.1 Космологічна константа
Найпростіша модель темної енергії — це космологічна константа Λ. У цій моделі темна енергія — це незмінна густина енергії, що заповнює весь простір. Це визначає параметр стану w = p/ρ = −1, де p — тиск, а ρ — густина енергії. Такий компонент природно викликає прискорене розширення. Модель ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) є домінуючою космологічною моделлю, що поєднує темну матерію (CDM) і темну енергію (Λ).
4.2 Динамічна темна енергія
Незважаючи на успіх, Λ породжує й багато теоретичних труднощів, особливо проблему космологічної константи, коли квантова теорія поля прогнозує значно більшу густину вакуумної енергії, ніж спостерігаємо. Це спонукало розглядати альтернативні теорії:
- Kvintesencija (Quintessence): lėtai riedantis skaliarinis laukas, kurio energijos tankis kinta laikui bėgant.
- Fantominė energija (Phantom Energy): laukas, kurio w < −1.
- k-есенція (k-essence): узагальнення квінтесенції з неканонічними кінетичними членами.
4.3 Модифікована гравітація
Деякі вчені, замість визнання нового компонента енергії, пропонують модифікувати гравітацію на великих масштабах, наприклад, застосовуючи теорії f(R), моделі DGP бран або інші розширення теорії загальної відносності. Хоча такі моделі іноді можуть імітувати ефект темної енергії, вони повинні відповідати суворим локальним гравітаційним тестам, а також даним про формування структур, гравітаційне лінзування та іншим спостереженням.
5. Розбіжності спостережень і сучасні дискусії
5.1 Напруга постійної Габла
Удосконалюючись методам вимірювання постійної Габла (H0), виявився розбіжність. За даними супутника Planck (екстраполяція з CMB за ΛCDM), H0 ≈ 67,4 ± 0,5 км с−1 Мпк−1, а за методами місцевих (англ. distance ladder) вимірювань (наприклад, проєкт SH0ES) знаходять H0 ≈ 73. Це приблизно 5σ розбіжність може свідчити про нову фізику в секторі темної енергії або інші нюанси, не враховані в стандартній моделі [7].
5.2 Космічний ефект зсуву та зростання структур
Дослідження слабкого гравітаційного лінзування (англ. weak lensing), спрямовані на вивчення великомасштабної структури Всесвіту, іноді показують незначні відхилення від прогнозів ΛCDM, отриманих із параметрів КМФ. Хоча ці відхилення не такі виразні, як напруження константи Габла, вони все ж спонукають розглядати можливу корекцію фізики темної енергії чи нейтринів, а також систематику аналізу даних.
6. Перспективи майбутнього та експерименти
6.1 Майбутні космічні проєкти
Euclid (ESA): призначений для проведення масштабних вимірювань форм і спектрів галактик з метою кращого обмеження рівняння стану темної енергії та формування великомасштабної структури.
Nancy Grace Roman космічний телескоп (NASA): здійснюватиме широкопольову візуалізацію та спектроскопію, досліджуючи BAO і слабке гравітаційне лінзування з безпрецедентною точністю.
6.2 Наземні дослідження
Vera C. Rubin observatorija (Legacy Survey of Space and Time, LSST): створить карту мільярдів галактик, вимірюватиме сигнали слабкого гравітаційного лінзування та показники наднових до небаченої глибини.
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument): фіксуватиме надточні вимірювання червоних зсувів мільйонів галактик і квазарів.
6.3 Теоретичні прориви
Фізики продовжують поглиблювати моделі темної енергії — особливо теорії типу квінтесенції, які допускають змінний w(z). Спроби поєднати гравітацію та квантову механіку (теорія струн, петльова квантова гравітація тощо) можуть допомогти краще зрозуміти вакуумну енергію. Будь-яке беззаперечне відхилення від w = −1 стало б величезним відкриттям, що свідчить про справді нові фундаментальні закони фізики.
7. Підсумкові думки
Понад 70% енергії Всесвіту, здається, становить темна енергія, проте поки що немає остаточної відповіді, що це таке. Від космологічної константи Ейнштейна до вражаючих результатів наднових 1998 року та постійних точних вимірювань космічної структури — темна енергія стала ключовою частиною космології XXI століття і потенційним шляхом до революційних відкриттів у фізиці.
Зусилля зрозуміти темну енергію чудово ілюструють, як точність найновіших спостережень і теоретичне розуміння переплітаються. Як тільки нові телескопи та експерименти почнуть надавати ще детальніші дані — від все більш віддалених наднових до детальних карт галактик і особливо точних вимірювань КМФ — наука опиниться на порозі нових, значущих відкриттів. Незалежно від того, чи буде відповідь простою космологічною константою, динамічним скалярним полем чи модифікованою гравітацією, розв’язання загадки темної енергії назавжди змінить наше розуміння Всесвіту та природи фундаментального простору-часу.
Посилання та додаткове читання
Einstein, A. (1917). “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie.” Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften, 142–152.
Riess, A. G., et al. (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
Perlmutter, S., et al. (1999). “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
de Bernardis, P., et al. (2000). “A Flat Universe from High-Resolution Maps of the Cosmic Microwave Background Radiation.” Nature, 404, 955–959.
Spergel, D. N., et al. (2003). “First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of Cosmological Parameters.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 148, 175–194.
Eisenstein, D. J., et al. (2005). “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal, 633, 560–574.
Riess, A. G., et al. (2019). “Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM.” The Astrophysical Journal, 876, 85.
Додаткові джерела
Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Dark Energy and the Accelerating Universe.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.
Weinberg, S. (1989). “The Cosmological Constant Problem.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
Carroll, S. M. (2001). “The Cosmological Constant.” Living Reviews in Relativity, 4, 1.
Від вимірювань космічного мікрохвильового фону до спостережень супернових типу Ia та каталогів червоних зсувів галактик існує безліч доказів на користь існування темної енергії. Проте основні питання — наприклад, її походження, чи є вона справді сталою та як вона узгоджується з квантовою теорією гравітації — залишаються без відповіді. Розв’язання цих загадок могло б відкрити нові шляхи в теоретичній фізиці та надати глибше розуміння Всесвіту.