В течение миллиардов лет темная энергия не могла быть обнаружена. Теперь это везде, куда бы мы ни посмотрели.
Когда мы смотрим на сверхдалекую Вселенную, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим ее такой же, какой она была и в далеком прошлом. В те более ранние времена Вселенная была горячее, плотнее и заполнена меньшими, более молодыми и менее эволюционировавшими галактиками. Свет, который мы видим из далекой истории нашей Вселенной, достигает наших глаз только после путешествия через эти огромные космические расстояния, где он растягивается расширяющейся тканью пространства.
Именно эти ранние сигналы и то, как этот свет растягивается до более длинных волн - т. е. красное смещение - в зависимости от расстояния, позволяют нам сделать вывод о том, как Вселенная расширялась на протяжении всей своей истории. Так мы обнаружили, что Вселенная не просто расширяется, а ускоряется. Так мы открыли темную энергию и измерили ее свойства. Наша картина Вселенной никогда не будет прежней. Вот как это было, когда темная энергия впервые взяла верх.
Если бы вы каким-то образом были живы в момент Большого Взрыва и могли бы отслеживать два разных местоположения - одно из которых соответствовало бы тому, где сегодня находится Млечный Путь, а другое соответствовало бы далекому, отключенная галактика - что бы вы увидели?
Ответ будет меняться со временем. Когда свет впервые появился, вы увидели бы Вселенную такой, какой она была в возрасте 380 000 лет: когда Космическое микроволновое фоновое излучение впервые достигло вас. Со временем вы увидите, как формируются и сжимаются молекулярные облака, за которыми следуют звезды, формирующиеся во множестве ранних туманностей, а затем слияние звездных скоплений с образованием протогалактик. Со временем вы увидите, как эти протогалактики сливаются, притягиваются и растут. В конце концов, они превратились в галактики, с которыми мы более знакомы, поскольку прошли через периоды затишья, перемежающиеся вспышками звездообразования.
Одна из вещей, о которых мы обычно не говорим, это то, что мы увидим в отношении красного смещения. Одним из замечательных свойств Вселенной является то, что законы физики кажутся неизменными во времени. Это означает, что атомы поглощают и излучают свет на очень специфических частотах: частотах, которые везде одинаковы и определяются энергетическими уровнями, которые занимают электроны внутри атома.
Идентифицируя серии атомных линий поглощения или излучения, которые соответствуют одному и тому же элементу с одним и тем же красным смещением, мы можем точно определить наблюдаемое красное смещение объекта. Определив ее расстояние от нас, мы можем использовать комбинацию расстояние/красное смещение для реконструкции истории расширяющейся Вселенной.
На самом деле мы можем проводить наблюдения только в один момент времени: сегодня или когда свет от всех удаленных объектов во Вселенной наконец достигает нас. Но мы можем представить и наш гипотетический сценарий.
Что бы мы увидели, если бы смогли проследить за одной отдельной галактикой - включая расстояние до нее и ее красное смещение с нашей точки зрения - на протяжении всей истории Вселенной?
Ответ может показаться немного нелогичным, но он чрезвычайно нагляден и поучителен, поскольку проливает свет не только на то, что такое темная энергия, но и на то, как она влияет на расширение Вселенной.
На самых ранних стадиях свет, который пришел первым, давал вам комбинацию двух параметров: расстояние, которое было относительно небольшим по сравнению с расстояниями, которые мы видим сегодня, и красное смещение, которое было большим по сравнению с тем, что мы видим сегодня. мы видим сегодня. Красное смещение соответствует кажущейся скорости удаления или тому, насколько быстро рассматриваемый объект удаляется от нас.
На самом деле это не движение объекта вызывает красное смещение, хотя движение к (синее смещение) или от (красное смещение) наблюдателя, безусловно, может вызвать этот эффект. Вместо этого факт, что свет проходит через ткань пространства - и что ткань расширяется, пока свет движется - , вызывает то, что кажется красным смещением.
Первоначально расстояния были бы небольшими, а красные смещения большими: мы бы сделали вывод, что эта далекая галактика удаляется от нас с очень большой скоростью.
Но затем время бежит вперед, и кажется, что и расстояние, и скорость изменяются в противоположных направлениях.
- Расстояния со временем становятся все больше и больше, поскольку Вселенная продолжает расширяться. Это отталкивает все объекты, не связанные гравитацией, друг от друга, увеличивая измеренное расстояние между ними.
- Скорость расширения Вселенной меняется, и она меняется в зависимости от общей плотности материи и энергии, присутствующих во Вселенной. Поскольку увеличение объема означает уменьшение плотности энергии, скорость расширения падает, и кажется, что галактика удаляется от нас все медленнее и медленнее.
Это имеет смысл, когда вы думаете о расширяющейся Вселенной в контексте Большого Взрыва. Идет великая космическая гонка: между гравитацией, стремящейся собрать все вместе, и начальной скоростью расширения, стремящейся разорвать все на части. Гонка продолжается уже 13,8 миллиардов лет, и Большой Взрыв был стартовой пушкой.
Все начинает удаляться от всего остального, сначала очень быстро, в то время как гравитация работает изо всех сил, чтобы собрать все обратно. Если бы во Вселенной было слишком много материи, все расширялось бы только до определенного момента, когда Вселенная достигла максимального размера, а затем расширение обратилось вспять. В конце концов, Вселенная снова схлопнется. С другой стороны, если бы материи было слишком мало, расширение продолжалось бы вечно, при этом скорость расширения уменьшалась бы, а кажущаяся скорость разбегания стремилась к нулю.
Этот последний случай - именно то, что мы наблюдаем в течение длительного времени: в течение миллиардов лет, в случае нашей Вселенной. Кажется, что отдельная галактика удаляется от нас с невероятно большой скоростью, но затем скорость ее удаления падает по мере падения плотности материи и излучения. Поскольку именно общая плотность энергии определяет скорость расширения, а скорость расширения определяет, какой мы предполагаем скорость рецессии, все это имеет интуитивно понятный смысл.
А потом, через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва, начинают происходить странные вещи. Как оказалось, Вселенная заполнена не только материей и излучением. Даже добавление нейтрино, черных дыр, темной материи и многого другого не объясняет всего. В дополнение ко всему этому у нас есть темная энергия: форма энергии, присущая самому пространству. По мере расширения Вселенной темная энергия не растворяется; он остается с постоянной плотностью.
Через 7,8 миллиарда лет плотность материи падает настолько, что становится важным влияние темной энергии. Через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва плотность темной энергии вырастет до половины плотности материи, что является критическим значением, которого она должна достигнуть, чтобы заставить далекую галактику прекратить замедление с нашей точки зрения.
В этот момент космической истории, через 7,8 миллиарда лет после Большого взрыва, каждый отдаленный объект во Вселенной будет удаляться от нас: он будет продолжать удаляться с той скоростью, с которой двигался ранее. Он не будет ни ускоряться, ни замедляться, но будет поддерживать постоянное кажущееся движение в своем отступлении. Это критическое время: отталкивающие эффекты темной энергии на расширение Вселенной в точности противодействуют притягивающим эффектам материи.
Но время здесь не останавливается. Вместо этого он продолжает двигаться вперед, а плотность материи продолжает падать. Когда по космическим часам проходит 7,8 миллиарда лет, темная энергия становится более важной, чем материя и излучение, с точки зрения скорости расширения. Далекие галактики, возможно, достигли своей минимальной скорости разбегания в это время, но затем они снова ускорятся.
По мере того, как время идет вперед, отдаленные объекты, не связанные друг с другом, будут удаляться от точки зрения друг друга все быстрее и быстрее. К тому времени, когда Вселенной исполнится 9,2 миллиарда лет, как раз во время формирования нашей Солнечной системы, плотность материи упадет ниже плотности темной энергии. К настоящему времени, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, темная энергия составляет примерно 70% всей энергии во Вселенной. В течение всего этого времени далекие галактики будут продолжать ускоряться, все быстрее и быстрее, в своем кажущемся удалении с нашей точки зрения.
В течение последних 6 миллиардов лет расширение Вселенной ускорялось, а это означает, что любая далекая галактика, которую мы наблюдаем, удаляется от нас с постоянно увеличивающейся скоростью. Как только галактика достигает расстояния примерно в 15-16 миллиардов световых лет от нас, кажется, что она удаляется быстрее скорости света, а это означает, что мы ничего не сможем сделать, чтобы снова достичь ее или связаться с ней. Учитывая, что Вселенная уже имеет радиус 46 миллиардов световых лет, это означает, что 97% галактик во Вселенной уже навсегда вне нашей досягаемости.
В течение миллиардов лет плотность темной энергии была бы крошечной по сравнению с плотностью материи, а это означает, что ее эффекты были бы незаметны, если бы мы пришли слишком рано. Через десятки миллиардов лет он оттолкнет от нас все, что находится за пределами нашей Местной группы; объединенные остатки Местной группы будут единственной оставшейся галактикой. Только потому, что мы появились тогда, когда мы это сделали, в это золотое космическое время, мы можем понять, из чего на самом деле состоит Вселенная. Темная энергия реальна, она доминирует в нашей Вселенной с тех пор, как ей исполнилось 7,8 миллиарда лет, и с этого момента будет определять судьбу нашей Вселенной.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Что было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Что было, когда Вселенная впервые создала материи больше, чем антиматерии?
- На что это было похоже, когда бозон Хиггса дал массу Вселенной?
- Что было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- На что это было похоже, когда мы потеряли остатки нашей антиматерии?
- Что было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Что было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Что было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
- Что было, когда погибли первые звезды?
- Каково было, когда во Вселенной образовалось второе поколение звезд?
- Каково было, когда Вселенная создала самые первые галактики?
- Что было, когда звездный свет впервые прорвался сквозь нейтральные атомы Вселенной?
- Что было, когда образовались первые сверхмассивные черные дыры?
- Что было, когда жизнь во Вселенной впервые стала возможной?
- Как это было, когда галактики формировали наибольшее количество звезд?
- Каково было, когда формировались первые обитаемые планеты?
- Что было, когда космическая паутина сформировалась?
- Что было, когда сформировался Млечный Путь?
- Каково было, когда Вселенная создавала свои самые тяжелые элементы?