Спостереження віддалених супернових і загадкова відштовхуюча сила, що спричиняє космічне прискорення
Неочікуваний поворот у космічній еволюції
Протягом більшої частини XX ст. космологи вважали, що розширення Всесвіту, яке почалося з Великого вибуху, з часом уповільнюється через гравітаційне тяжіння матерії. Головним питанням було, чи розширюватиметься Всесвіт вічно, чи зрештою почне стискатися, залежно від загальної густини маси. Однак у 1998 році дві незалежні дослідницькі групи, вивчаючи супернові типу Ia на великих зсувів, зробили приголомшливе відкриття: замість уповільнення космічне розширення прискорюється. Це несподіване прискорення вказувало на новий енергетичний компонент – темну енергію, яка становить близько 68 % всієї енергії Всесвіту.
Наявність темної енергії суттєво змінила наш космічний світогляд. Вона показує, що на великому масштабі діє відштовхуючий ефект, який переважає гравітацію матерії, через що розширення прискорюється. Найпростіше пояснення – космологічна стала (Λ), що відображає енергію вакууму в просторі-часі. Втім, інші теорії пропонують динамічне скалярне поле або екзотичну фізику. Хоч ми й можемо виміряти вплив темної енергії, її сутність залишається однією з найбільших загадок космології, підкреслюючи, скільки ми ще не знаємо про майбутнє Всесвіту.
2. Докази прискорення у спостереженнях
2.1 Супернові типу Ia як стандартні свічки
Астрономи використовують супернові типу Ia — вибухи білих карликів у подвійних системах — як «стандартизовані свічки». Їхня максимальна світність після калібрування досить стала, тому порівнюючи видиму яскравість із червоним зсувом, можна визначити космічні відстані та історію розширення. Наприкінці 1990-х High-z Supernova Search Team (А. Рісс, Б. Шмідт) і Supernova Cosmology Project (С. Перлмуттер) встановили, що далекі супернові (~z 0,5–0,8) виглядають блідішими, ніж очікувалося, якщо Всесвіт сповільнювався або був стабільним. Найкраще підходить прискорене розширення [1,2].
2.2 КМФ та дослідження великих структур
Подальші дані WMAP і Planck супутників про аніcотропії космічного мікрохвильового фону (КМФ) визначили точні космічні параметри, які показують, що вся матерія (темна + баріонна) становить близько ~31 % критичної густини, решту (~69 %) складає загадкова темна енергія або «Λ». Дослідження великих структур (наприклад, SDSS), спостерігаючи баріонні акустичні коливання (BAO), відповідають гіпотезі прискореного розширення. Усі ці дані узгоджуються, що в моделі ΛCDM близько 5 % матерії — баріони, ~26 % — темна матерія і ~69 % — темна енергія [3,4].
2.3 Баріонні акустичні коливання та зростання структур
Баріонні акустичні коливання (BAO), спостережувані у розподілі галактик на великих масштабах, діють як «стандартна лінійка» для вимірювання розширення в різний час. Їхні моделі показують, що за останні ~кілька млрд років розширення Всесвіту прискорюється, тому зростання структур повільніше, ніж очікувалося б лише від домінування матерії. Усі різні джерела даних дають однаковий висновок: існує прискорювальна складова, що подолала гальмування матерії.
3. Космологічна константа: найпростіше пояснення
3.1 Λ Ейнштейна та енергія вакууму
Альберт Ейнштейн у 1917 році ввів космологічну константу Λ, щоб отримати статичний Всесвіт. Коли Хаббл виявив, що Всесвіт розширюється, Ейнштейн відмовився від Λ, назвавши її «найбільшою помилкою». Парадоксально, але Λ повернулася як головний кандидат на джерело прискорення: енергію вакууму, чине рівняння стану p = -ρ c² створює негативний тиск і відштовхуючий гравітаційний ефект. Якщо Λ справді стала, Всесвіт у майбутньому наближатиметься до експоненціального розширення, оскільки густина матерії стане незначною.
3.2 Розмір і проблема «тонкого налаштування»
Спостережуване значення густини темної енергії (Λ) приблизно ~ (10-12 GeV)4, тоді як квантова теорія полів прогнозує набагато більшу енергію вакууму. Ця проблема космологічної константи запитує: чому виміряна Λ така мала порівняно з прогнозами Планківського масштабу? Спроби знайти, що компенсує цю величезну кількість, поки не дали переконливого пояснення. Це одна з найбільших проблем «тонкого налаштування» у фізиці.
4. Динамічна темна енергія: квінтесенція та альтернативи
4.1 Квінтесенційні поля
Замість сталої Λ деякі вчені пропонують динамічне скалярне поле φ з потенціалом V(φ), що змінюється з часом – часто називане «квінтесенція». Її рівняння стану w = p/ρ може відрізнятися від -1 (як має бути для чистої космологічної константи). Спостереження показують w ≈ -1 ± 0,05, залишаючи можливість незначного відхилення. Якщо w змінюватиметься з часом, можливо, ми дізнаємося про інший темп розширення у майбутньому. Проте жодних надійних ознак тимчасових змін поки не видно.
4.2 «Фантомна» енергія чи k-есенція
Деякі моделі допускають w < -1 («фантомна» енергія), що веде до «Великого розриву» (big rip), коли розширення врешті-решт розірве навіть атоми. Або «k-есенція» вводить неконформні форми кінетичних членів. Це спекулятивно, і оцінка даних супернових, BAO та КМФ поки що не показала явної переваги над простою, майже сталою Λ.
4.3 Модифікована гравітація
Інший підхід – змінювати загальну теорію відносності на великих масштабах, а не вводити темну енергію. Наприклад, додаткові виміри, теорії f(R) або моделі бран світу можуть створити очевидне прискорення. Однак узгодити точні тести Сонячної системи з космічними даними складно. До цього часу жодні спроби явно не перевершили просту теорію Λ у ширшому контексті спостережень.
5. Питання «Чому саме зараз?» і проблема співпадіння
5.1 Космічне співпадіння
Темна енергія почала домінувати лише кілька мільярдів років тому – чому Всесвіт прискорюється саме зараз, а не раніше чи пізніше? Це називається «проблемою співпадіння», яка припускає, що можливо антропний принцип («розумні спостерігачі з'являються приблизно тоді, коли розміри матерії і Λ подібні за порядком») пояснює це співпадіння. Стандартна модель ΛCDM сама по собі цього не вирішує, але приймає як частину антропного контексту.
5.2 Антропний принцип і мультивсесвіт
Деякі пояснюють, що якби Λ була значно більшою, структури не сформувалися б ще до того, як прискорення завадило б скупченню матерії. Якби Λ була від'ємною або іншою, склалися б інші умови еволюції. Антропний принцип стверджує, що ми спостерігаємо Λ саме такого розміру, який дозволяє утворюватися галактикам і спостерігачам. З ідеями мультивсесвіту можна стверджувати, що в різних «бульбашках» (Всесвітах) діє інший розмір вакуумної енергії, а ми опинилися саме в цьому через сприятливі умови.
6. Перспективи майбутнього Всесвіту
6.1 Вічне прискорення?
Якщо темна енергія справді є сталою Λ, Всесвіт у майбутньому зазнає експоненційного розширення. Галактики, які не зв’язані гравітаційно (не належать до місцевої групи), віддалятимуться за межі нашого космологічного горизонту, поступово «зникаючи» з поля зору і залишаючи нас у «солоному Всесвіті», де залишаться лише місцеві злиті галактики.
6.2 Інші сценарії
- Динамічна квінтесенція: якщо w > -1, розширення буде повільнішим за експоненціальне, близьким до стану де Сіттера, але не таким сильним.
- Фантомна енергія (w < -1): Може закінчитися «Великим розривом», коли розширення перевищує навіть зв’язок між атомами. Поточні дані дещо суперечать сильному «фантомному» сценарію, але не виключають невеликого w < -1.
- Вакуумний розпад: Якщо вакуум лише метастабільний, він може раптово перейти в стан з нижчою енергією – це було б фатальним явищем у фізичному контексті. Проте наразі це лише спекуляції.
7. Поточні та майбутні дослідження
7.1 Надточні космологічні проєкти
Такі проєкти, як DES (Dark Energy Survey), eBOSS, Euclid (ESA) або майбутня обсерваторія Vera C. Rubin (LSST) досліджуватимуть мільярди галактик, вимірюватимуть історію розширення через наднові, BAO, слабке лінзування та зростання структур. Очікується визначити параметр рівняння стану w з точністю близько 1 %, щоб перевірити, чи він справді дорівнює -1. Якщо буде виявлено відхилення w, це свідчитиме про динамічну темну енергію.
7.2 Гравітаційні хвилі та багатосигнальна астрономія
У майбутньому виявлення гравітаційних хвиль від стандартних «сирен» (злиття нейтронних зірок) дозволить самостійно вимірювати космічні відстані та розширення. У поєднанні з електромагнітними сигналами це ще більше уточнить еволюцію темної енергії. Також вимірювання 21 см випромінювання в епоху космічного світанку можуть допомогти дослідити розширення на більших відстанях і розширити наші знання про поведінку темної енергії.
7.3 Теоретичні прориви?
Вирішити проблему космологічної константи або відкрити мікрофізичну основу квінтесенції, можливо, вдасться, якщо розвиватимуться перспективи квантової гравітації чи теорії струн. Також нові принципи симетрії (наприклад, суперсиметрія, яку, на жаль, поки що не виявлено в LHC) або антропні аргументи можуть пояснити, чому темна енергія така мала. Якщо буде виявлено «збудження темної енергії» або додаткову «п’яту силу», це повністю змінить наше розуміння. Наразі, на жаль, спостережень, що це підтверджують, немає.
8. Висновок
Темна енергія – одна з найбільших загадок космології: відштовхуюча складова, відповідальна за прискорене розширення Всесвіту, несподівано виявлене наприкінці XX ст. при вивченні віддалених наднових типу Ia. Багато додаткових даних (КМФ, BAO, лінзування, зростання структури) підтверджують, що темна енергія становить близько 68–70 % енергії Всесвіту, згідно зі стандартною моделлю ΛCDM. Найпростіший варіант – космологічна стала, але вона породжує такі виклики, як проблема космологічної сталої та питання «співпадіння».
Ідеї Кіто (квінтесенція, модифікована гравітація, голографічна концепція) досі досить спекулятивні й не мають такого добре перевіреного емпіричного підтвердження, як майже стабільна Λ. Майбутні обсерваторії – Euclid, LSST, Roman Space Telescope – у найближчі роки значно уточнять наші знання про рівняння стану і можуть з’ясувати, чи швидкість прискорення з часом не змінюється, чи приховує підказки про нову фізику. З’ясувати, що таке темна енергія, не лише визначить долю Всесвіту (чи вічне розширення, «великий розрив» чи інші кінцівки), а й допоможе зрозуміти, як квантові поля, гравітація і сам простір-час узгоджуються між собою. Тож розв’язання загадки темної енергії – ключовий крок у космічній детективній історії, що розповідає, як Всесвіт розвивається, існує і, можливо, зрештою зникає з нашого поля зору, прискорюючись у космічному розширенні.
Посилання та подальше читання
- Ріесс, А. Г., та ін. (1998). “Спостережні докази від наднових для прискореного Всесвіту та космологічної сталої.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Перлмуттер, С., та ін. (1999). “Вимірювання Ω та Λ за 42 надновими з високим зсувом.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
- Колаборація Planck (2018). “Результати Planck 2018. VI. Космологічні параметри.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
- Вайнберг, С. (1989). “Проблема космологічної сталої.” Огляди сучасної фізики, 61, 1–23.
- Фрімен, Дж. А., Тернер, М. С., & Гутерер, Д. (2008). “Темна енергія та прискорюваний Всесвіт.” Щорічний огляд астрономії та астрофізики, 46, 385–432.