Новое исследование утверждает, что темная энергия меняется со временем. Вот что бы это значило, если бы оно было правдой.
В прошлом поколении мы признали, что наша Вселенная - особенно темное место. Конечно, куда бы мы ни посмотрели, она заполнена звездами, галактиками и множеством светоизлучающих явлений. Но каждый из известных процессов, генерирующих свет, основан на частицах Стандартной модели: обычном веществе в нашей Вселенной. Вся нормальная материя - протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т. д. - представляет всего 5% того, что там есть.
Остальные 95% - темная тайна, но это не может быть ни одна из известных нам частиц. Согласно нашим лучшим измерениям, 27% Вселенной состоит из того или иного типа темной материи, которая никаким известным образом не взаимодействует со световой или обычной материей. А оставшиеся 68% - это темная энергия, которая, по-видимому, является формой энергии, присущей самому пространству. Новый набор наблюдений бросает вызов тому, что мы в настоящее время думаем о темной энергии. Если это выдержит, все, что мы знаем, изменится.
Лучший способ, которым мы располагаем для понимания того, из чего состоит Вселенная, - это не выходить и напрямую подсчитывать все, что там находится. Если бы это был единственный способ сделать это, мы буквально упустили бы 95% Вселенной, поскольку это невозможно измерить напрямую. Вместо этого мы можем использовать причуду общей теории относительности: тот факт, что все различные формы материи и энергии влияют на ткань самого пространства-времени, а также на то, как она меняется со временем.
В частности, измеряя сегодняшнюю скорость расширения, а также то, как скорость расширения менялась на протяжении нашей космической истории, мы можем использовать эти известные соотношения для реконструкции того, из чего должна состоять Вселенная. Из всего набора доступных данных, включая информацию о сверхновых, крупномасштабной структуре Вселенной и космическом микроволновом фоновом излучении, мы смогли построить картину соответствия: 5% нормальной материи, 27% темной материи, и 68% темной энергии.
Насколько нам известно, темная материя ведет себя точно так же, как и обычная материя с гравитационной точки зрения. Общая масса темной материи фиксирована, поэтому по мере расширения Вселенной и увеличения ее объема плотность темной материи падает, как и у обычной материи.
Темная энергия считается другой. Похоже, что это не тип частицы, а тип энергии, присущей самому пространству. По мере расширения пространства плотность темной энергии остается постоянной, а не уменьшается или увеличивается. В результате после того, как Вселенная достаточно долго расширялась, темная энергия начинает доминировать в энергетическом балансе Вселенной. Со временем он становится все более доминирующим над другими компонентами, что приводит к ускоренному расширению, которое мы наблюдаем сегодня.
Традиционно методы измерения расширения Вселенной основывались на одном из двух наблюдаемых индикаторов.
- Стандартные свечи: когда известно внутреннее поведение источника света, и мы можем измерить наблюдаемую яркость, тем самым сделав вывод о расстоянии до него. Измеряя расстояние и красное смещение для большого количества источников, мы можем реконструировать расширение Вселенной.
- Стандартные линейки: когда известна собственная шкала размеров объекта или явления, и мы можем измерить кажущийся угловой размер этого сам предмет или явление. Преобразовав угловой размер в физический и измерив красное смещение, мы можем аналогичным образом реконструировать, как расширялась Вселенная.
Трудность с любым из этих методов - вещи, которые не дают астрономам спать по ночам - это опасение, что наши предположения о внутреннем поведении могут быть ошибочными, что исказит наши выводы.
До сих пор наши лучшие стандартные свечи увели нас очень далеко в истории Вселенной: к свету, который был испущен, когда Вселенной было примерно 4 миллиарда лет. Учитывая, что сегодня нам почти 14 миллиардов лет, мы можем измерять очень далеко назад, а сверхновые типа Ia обеспечивают самый надежный и надежный индикатор расстояния для исследования темной энергии.
Недавно, однако, группа ученых начала использовать квазары, излучающие рентгеновское излучение, которые намного ярче и, следовательно, видимы даже в более ранние времена: когда Вселенной был всего один миллиард лет. В новой интересной статье ученые Гвидо Рисалити и Элизабета Луссо используют квазары в качестве стандартной свечи, чтобы вернуться в прошлое дальше, чем когда-либо, в измерении природы темной энергии. То, что они обнаружили, все еще является предварительным, но, тем не менее, поразительным.
Используя данные примерно 1600 квазаров и новый метод определения расстояний до них, они нашли сильное совпадение с результатами сверхновых для квазаров за последние 10 миллиардов лет: темная энергия реальна, около двух третей энергии во Вселенной, и, по-видимому, является космологической постоянной в природе.
Но они также нашли более далекие квазары, которые показали нечто неожиданное: на самых больших расстояниях наблюдается отклонение от этого «постоянного» поведения. Рисалити написал здесь сообщение в своем блоге, в котором подробно описал значение своей работы, в том числе эту жемчужину:
Наша окончательная диаграмма Хаббла дала нам совершенно неожиданные результаты: в то время как наши измерения расширения Вселенной согласовывались со сверхновыми в обычном диапазоне расстояний (от возраста 4,3 миллиарда лет до наших дней), включение более далеких квазаров показывает сильное отклонение от ожиданий стандартной космологической модели! Если мы объясним это отклонение компонентом темной энергии, то обнаружим, что ее плотность должна увеличиваться со временем.
Это общеизвестно сложное измерение, заметьте, и первое, что вы можете подумать, это то, что измеренные нами квазары могут быть ненадежными, как стандартная свеча.
Если это была ваша мысль: поздравляем! Это уже случалось однажды, когда люди пытались использовать гамма-всплески в качестве индикатора расстояния, чтобы выйти за рамки того, чему нас может научить сверхновая. Когда мы узнали больше об этих всплесках, мы обнаружили, что они по своей сути нестандартны, а также выявили наши собственные предубеждения в отношении того, какие типы всплесков мы можем обнаружить. По крайней мере, один или оба из этих двух типов смещения, вероятно, имеют место, и это обычно считается наиболее вероятным объяснением такого результата.
Хотя выяснение причин будет познавательным и сложным, это доказательство вряд ли убедит многих в том, что темная энергия не постоянна, в конце концов.
Но что, если это новое исследование верно? Что, если темная энергия не постоянна? Что, если, как намекали другие наблюдения последних двух десятилетий, она на самом деле меняется со временем?
Приведенный выше график показывает результаты для нескольких разных наборов данных, но я хочу, чтобы вы обратили внимание на значение w, показанное на оси Y. То, что мы называем w, - это уравнение состояния темной энергии, где w=-1 - это значение, которое мы получили бы, если бы темная энергия была космологической постоянной: неизменная форма энергии, присущая самому пространству. Однако если w отличается от -1, это может все изменить.
Наша стандартная судьба, где w=-1, приведет к тому, что Вселенная будет вечно расширяться, а структуры, которые сегодня не связаны, разлетаются под воздействием темной энергии. Но если w либо меняется со временем, либо не равно -1, все это меняется.
- Если w меньше отрицательного значения, чем -1 (например, -0,9 или -0,75), темная энергия со временем ослабнет и, в конце концов, станет неважной. Если w со временем растет и становится положительным, это может привести к повторному коллапсу Вселенной в Большом сжатии.
- Тем не менее, если этот новый результат верен, а w больше отрицательного, чем -1 (например, -1,2 или -1,5 или хуже), то со временем темная энергия будет только усиливаться, вызывая ткань пространства для расширения с постоянно ускоряющейся скоростью. Связанные структуры, такие как галактики, солнечные системы, планеты и даже сами атомы, будут разорваны на части по прошествии достаточного количества времени. Вселенная закончится катастрофой, известной как Большой Разрыв.
Стремление понять окончательную судьбу Вселенной было тем, что очаровывало человечество с незапамятных времен. С появлением общей теории относительности и современной астрофизики неожиданно стало возможным ответить на этот вопрос с научной точки зрения. Будет ли Вселенная расширяться вечно? Свернуть? колебаться? Или быть разорванным самой физикой, лежащей в основе нашей реальности?
Ответ можно определить, взглянув на объекты, найденные по всей Вселенной. Однако ключ к разгадке нашей конечной космической судьбы зависит от нашего понимания того, на что мы смотрим, и уверенности в том, что наши ответы не будут искажены предположениями, которые мы делаем об объектах, которые мы измеряем и наблюдаем. В конце концов, темная энергия может не быть постоянной, и только взглянув на саму Вселенную, мы сможем узнать наверняка.