Energie întunecată. Energia întunecată în univers

Tot ceea ce vedem în jurul nostru (stele și galaxii) nu reprezintă mai mult de 4-5% din masa totală a Universului!

Conform teoriilor cosmologice moderne, Universul nostru este format din doar 5% din materie obișnuită, așa-numita barionică, care formează toate obiectele observabile; 25% materie întunecată detectată din cauza gravitației; și energie întunecată, reprezentând până la 70% din total.

Termenii energie întunecată și materie întunecată nu au succes și reprezintă o traducere literală, dar nu semantică, din engleză.

Într-un sens fizic, acești termeni implică doar faptul că aceste substanțe nu interacționează cu fotonii și ar putea la fel de ușor să fie numite materie și energie invizibile sau transparente.

Mulți oameni de știință moderni sunt convinși că cercetările care vizează studierea energiei și materiei întunecate vor ajuta probabil să răspundă la întrebarea globală: ce ne așteaptă Universul în viitor?

Aglomerări de dimensiunea unei galaxii

Materia întunecată este o substanță formată, cel mai probabil, din particule noi, încă necunoscute în condiții terestre și care posedă proprietăți inerente materiei obișnuite însăși. De exemplu, este, de asemenea, capabil, ca și substanțele obișnuite, să se adune în grămadă și să participe la interacțiuni gravitaționale. Dar dimensiunea acestor așa-zise aglomerări poate depăși o întreagă galaxie sau chiar un grup de galaxii.

Abordări și metode pentru studierea particulelor de materie întunecată

În acest moment, oamenii de știință din întreaga lume încearcă în toate modurile posibile să descopere sau să obțină artificial particule de materie întunecată în condiții terestre, folosind echipamente ultra-tehnologice special dezvoltate și multe metode de cercetare diferite, dar până acum toate eforturile lor nu au fost încununate. cu succes.

O metodă implică efectuarea de experimente la acceleratoare de înaltă energie, cunoscute în mod obișnuit sub numele de colidere. Oamenii de știință, considerând că particulele de materie întunecată sunt de 100-1000 de ori mai grele decât un proton, presupun că vor trebui generate în ciocnirea particulelor obișnuite accelerate la energii înalte printr-un colisionator. Esența unei alte metode este de a înregistra particulele de materie întunecată găsite peste tot în jurul nostru. Principala dificultate în înregistrarea acestor particule este că ele prezintă o interacțiune foarte slabă cu particulele obișnuite, care sunt în mod inerent transparente pentru ele. Și totuși, particulele de materie întunecată se ciocnesc foarte rar cu nucleele atomice și există o oarecare speranță de a înregistra acest fenomen mai devreme sau mai târziu.

Există și alte abordări și metode pentru studierea particulelor de materie întunecată și doar timpul va spune care dintre ele va fi primul care va reuși, dar în orice caz, descoperirea acestor noi particule va fi cea mai importantă realizare științifică.

Substanță cu antigravitație

Energia întunecată este o substanță și mai neobișnuită decât materia întunecată. Nu are capacitatea de a se aduna în pâlcuri, drept urmare este distribuit uniform în întregul Univers. Dar proprietatea sa cea mai neobișnuită în acest moment este antigravitația.

Natura materiei întunecate și a găurilor negre

Datorită metodelor astronomice moderne, este posibil să se determine rata de expansiune a Universului în prezent și să se simuleze procesul de schimbare a acestuia mai devreme în timp. Ca urmare a acestui fapt, s-a obținut informații că în acest moment, precum și în trecutul recent, Universul nostru se extinde, iar ritmul acestui proces este în continuă creștere. Acesta este motivul pentru care a apărut ipoteza despre antigravitația energiei întunecate, deoarece atracția gravitațională obișnuită ar avea un efect de încetinire a procesului de „recesiune a galaxiilor”, limitând rata de expansiune a Universului. Acest fenomen nu contrazice teoria generală a relativității, dar energia întunecată trebuie să aibă presiune negativă - o proprietate pe care nicio substanță cunoscută în prezent nu o are.

Candidați pentru rolul „Dark Energy”

Masa galaxiilor din clusterul Abel 2744 este mai mică de 5% din masa sa totală. Acest gaz este atât de fierbinte încât strălucește doar în raze X (roșu în această imagine). Distribuția materiei întunecate invizibile (care reprezintă aproximativ 75 la sută din masa clusterului) este colorată în albastru.

Unul dintre presupușii candidați pentru rolul energiei întunecate este vidul, a cărui densitate energetică rămâne neschimbată în timpul expansiunii Universului și confirmă astfel presiunea negativă a vidului. Un alt candidat presupus este „chintesența” - un câmp ultra-slab necunoscut anterior, care se presupune că trece prin întregul Univers. Există și alți posibili candidați, dar nici unul dintre ei nu a contribuit până acum la obținerea unui răspuns exact la întrebarea: ce este energia întunecată? Dar este deja clar că energia întunecată este ceva complet supranatural, rămânând principalul mister al fizicii fundamentale a secolului XXI.

Ce s-a întâmplat materie întunecată și energie întunecată Universul: structura spațiului cu fotografii, volumul în procente, influența asupra obiectelor, cercetarea, extinderea Universului.

Aproximativ 80% din spațiu este reprezentat de material care este ascuns observării directe. Este vorba despre materie întunecată– o substanță care nu produce energie sau lumină. Cum și-au dat seama cercetătorii că era dominantă?

În anii 1950, oamenii de știință au început să studieze în mod activ alte galaxii. În timpul analizelor, ei au observat că Universul este plin cu mai mult material decât poate fi surprins pe „ ochi vizibil" Susținătorii materiei întunecate au apărut în fiecare zi. Deși nu existau dovezi directe ale existenței sale, teoriile au crescut, la fel și soluțiile pentru observație.

Materialul pe care îl vedem se numește materie barionică. Este reprezentat de protoni, neutroni și electroni. Se crede că materia întunecată este capabilă să combine materia barionică cu cea nebarionică. Pentru ca Universul să rămână în integritatea sa obișnuită, materia întunecată trebuie să fie prezentă în proporție de 80%.

Substanța evazivă poate fi incredibil de dificil de găsit dacă conține materie barionică. Printre candidați se numără piticele maro și albe, precum și stele neutronice. Găurile negre supermasive se pot adăuga, de asemenea, la diferență. Dar trebuie să fi contribuit cu mai multă influență decât au văzut oamenii de știință. Există și cei care cred că materia întunecată trebuie să fie compusă din ceva mai neobișnuit și mai rar.

Imagine compozită a telescopului Hubble care arată un inel fantomatic de materie întunecată în clusterul de galaxii Cl 0024+17

Majoritatea lumii științifice consideră că substanța necunoscută este reprezentată în principal de materie non-barionică. Cel mai popular candidat este WIMPS (particule masive care interacționează slab), a căror masă este de 10-100 de ori mai mare decât cea a unui proton. Dar interacțiunea lor cu materia obișnuită este prea slabă, ceea ce face mai dificil de găsit.

Neutrinii, particule ipotetice masive care au o masă mai mare decât neutrinii, dar sunt caracterizate prin încetineala lor, sunt acum examinați cu mare atenție. Încă nu au fost găsite. Ca opțiuni posibile se iau în considerare și axioma neutră mai mică și fotonii intacți.

O altă posibilitate este că cunoștințele despre gravitație sunt depășite și trebuie actualizate.

Materia întunecată invizibilă și energie întunecată

Dar dacă nu vedem ceva, cum putem demonstra că există? Și de ce am decis că materia întunecată și energia întunecată sunt ceva real?

Masa obiectelor mari este calculată din mișcarea lor în spațiu. În anii 1950, cercetătorii care se uitau la galaxiile spirale au presupus că materialul apropiat de centru se va mișca mult mai repede decât materialul aflat mai departe. Dar s-a dovedit că stelele se mișcau cu aceeași viteză, ceea ce însemna că există mult mai multă masă decât se credea anterior. Gazul studiat la tipurile eliptice a arătat aceleași rezultate. Aceeași concluzie a sugerat de la sine: dacă am fi fost ghidați doar de masa vizibilă, atunci clusterele de galaxii s-ar fi prăbușit cu mult timp în urmă.

Albert Einstein a reușit să demonstreze că obiectele universale mari sunt capabile să îndoaie și să distorsioneze razele de lumină. Acest lucru le-a permis să fie folosite ca lentilă naturală de mărire. Studiind acest proces, oamenii de știință au reușit să creeze o hartă a materiei întunecate.

Se pare că cea mai mare parte a lumii noastre este reprezentată de o substanță încă evazivă. Veți afla mai multe lucruri interesante despre materia întunecată dacă vizionați videoclipul.

Materia întunecată

Fizicianul Dmitri Kazakov despre echilibrul energetic general al Universului, teoria masei ascunse și a particulelor de materie întunecată:

Dacă vorbim despre materie, atunci materia întunecată conduce cu siguranță în termeni procentuali. Dar, per total, ocupă doar un sfert din tot. Universul abundă energie întunecată.

De la Big Bang, spațiul a început un proces de expansiune care continuă și astăzi. Cercetătorii credeau că în cele din urmă energia inițială se va epuiza și va încetini. Dar supernovele îndepărtate demonstrează că spațiul nu se oprește, ci crește viteză. Toate acestea sunt posibile numai dacă cantitatea de energie este atât de mare încât depășește influența gravitațională.

Materia întunecată și energia întunecată: un mister explicat

Știm că Universul este în mare parte energie întunecată. Aceasta este o forță misterioasă care face ca spațiul să crească rata de expansiune a Universului. O altă componentă misterioasă este materia întunecată, care menține contactul cu obiectele doar prin gravitație.

Oamenii de știință nu pot vedea materia întunecată prin observație directă, dar efectele pot fi studiate. Ei reușesc să capteze lumina care este îndoită de forța gravitațională a obiectelor invizibile (lentile gravitaționale). Ei observă, de asemenea, momente în care steaua se rotește în jurul galaxiei mult mai repede decât ar trebui.

Toate acestea se explică prin prezența unei cantități uriașe de substanță evazivă care afectează masa și viteza. De fapt, această substanță este învăluită în mister. Se dovedește că cercetătorii pot spune mai degrabă nu ceea ce se află în fața lor, ci ce „nu” este.

Acest colaj prezintă imagini cu șase grupuri de galaxii diferite, luate de telescopul spațial Hubble al NASA. Clusterele au fost descoperite în timpul încercărilor de a studia comportamentul materiei întunecate din grupurile de galaxii în timpul coliziunii lor

Materia întunecată... întunecată. Nu produce lumină și nu este observabil în vedere directă. Prin urmare, excludem stelele și planetele.

Nu acționează ca un nor de materie obișnuită (astfel de particule se numesc barioni). Dacă barionii ar fi prezenți în materia întunecată, ar apărea în observație directă.

Excludem, de asemenea, găurile negre, deoarece acţionează ca lentile gravitaţionale care emit lumină. Oamenii de știință nu observă suficiente evenimente de lentilă pentru a calcula cantitatea de materie întunecată care trebuie să fie prezentă.

Deși Universul este un loc imens, totul a început cu cele mai mici structuri. Se crede că materia întunecată a început să se condenseze pentru a crea „blocuri de construcție” cu materia normală, producând primele galaxii și clustere.

Pentru a găsi materia întunecată, oamenii de știință folosesc diverse metode:

• Ciocnitorul mare de hadroni.
• instrumente precum WNAP și observatorul spațial Planck.
• experimente cu vizualizare directă: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP și ArDM.
• detecție indirectă: detectoare de raze gamma (Fermi), telescoape neutrino (IceCube), detectoare de antimaterie (PAMELA), senzori de raze X și radio.

Metode de căutare a materiei întunecate

Fizicianul Anton Baushev despre interacțiunile slabe dintre particule, radioactivitate și căutarea urmelor de anihilare:

Aprofundarea în misterul materiei întunecate și al energiei întunecate

Oamenii de știință nu au reușit niciodată să vadă literalmente materia întunecată, deoarece nu intră în contact cu materia barionică, ceea ce înseamnă că rămâne evazivă la lumină și alte tipuri de radiații electromagnetice. Dar cercetătorii sunt încrezători în prezența sa, deoarece observă impactul asupra galaxiilor și clusterelor.

Fizica standard spune că stelele situate la marginile unei galaxii spirale ar trebui să încetinească. Dar se dovedește că apar stele a căror viteză nu se supune principiului locației în raport cu centrul. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că stelele simt influența materiei întunecate invizibile în haloul din jurul galaxiei.

Prezența materiei întunecate poate descifra și unele dintre iluziile observate în adâncurile universului. De exemplu, prezența unor inele ciudate și arcuri de lumină în galaxii. Adică, lumina din galaxiile îndepărtate trece prin distorsiune și este amplificată de un strat invizibil de materie întunecată (lentila gravitațională).

Până acum avem câteva idei despre ce este materia întunecată. Ideea principală sunt particulele exotice care nu vin în contact cu materia obișnuită și lumina, dar au putere în sens gravitațional. Acum mai multe grupuri (unele care folosesc Large Hadron Collider) lucrează la crearea particulelor de materie întunecată pentru a le studia în laborator.

Alții cred că influența poate fi explicată printr-o modificare fundamentală a teoriei gravitaționale. Apoi obținem mai multe forme de gravitație, care diferă semnificativ de imaginea obișnuită și de legile stabilite de fizică.

Universul în expansiune și energia întunecată

Situația cu energia întunecată este și mai confuză, iar descoperirea în sine a devenit imprevizibilă în anii 1990. Fizicienii au crezut întotdeauna că forța gravitației lucrează pentru a încetini și într-o zi poate opri procesul de expansiune universală. Două echipe și-au asumat sarcina de a măsura viteza și ambele, spre surprinderea lor, au detectat accelerația. Este ca și cum ai arunca un măr în aer și știi că este obligat să cadă, dar se îndepărtează din ce în ce mai mult de tine.

A devenit clar că accelerația era influențată de o anumită forță. Mai mult, se pare că cu cât Universul este mai larg, cu atât această forță câștigă mai multă „putere”. Oamenii de știință au decis să o numească energie întunecată.

Recent, în cosmologie - știința care studiază structura și evoluția Universului - termenul „energie întunecată” a devenit larg folosit, provocând cel puțin o ușoară nedumerire în rândul oamenilor departe de aceste studii. Este adesea asociat cu un alt termen „întunecat” - „materie întunecată”, și se mai menționează că, conform datelor observaționale, aceste două substanțe asigură 95% din densitatea totală a Universului. Să aruncăm o rază de lumină asupra acestei „împărății a întunericului”.

ÎN literatura stiintifica Termenul de „energie întunecată” a apărut la sfârșitul secolului trecut pentru a se referi la mediul fizic care umple întregul Univers. Spre deosebire de diverse tipuri substanțe și radiații, de care este posibil (cel puțin teoretic) să curățați sau să protejați complet un anumit volum, energia întunecată din Universul modern este indisolubil legată de fiecare centimetru cub de spațiu. Cu o oarecare întindere, putem spune că spațiul însuși are masă și participă la interacțiunea gravitațională. (Reamintim că, conform formulei binecunoscute E = mc 2, energia este echivalentă cu masa.)

Primul cuvânt din termenul „energie întunecată” indică faptul că această formă de materie nu emite și nu absoarbe nicio radiație electromagnetică, în special lumina. Interacționează cu materia obișnuită doar prin gravitație. Cuvântul „energie” pune în contrast acest mediu cu materia structurată, adică formată din particule, subliniind că nu participă la procesul de aglomerare gravitațională care duce la formarea galaxiilor și a clusterelor lor. Cu alte cuvinte, densitatea energiei întunecate, spre deosebire de materia obișnuită și de materia întunecată, este aceeași în toate punctele din spațiu.

Pentru a evita confuzia, să observăm imediat că pornim de la o idee materialistă a lumii din jurul nostru, ceea ce înseamnă că tot ceea ce umple Universul este materie. Dacă materia este structurată, se numește substanță, iar dacă nu, cum ar fi un câmp, atunci se numește energie. Substanța, la rândul său, este împărțită în obișnuită și întunecată, concentrându-se pe dacă interacționează cu radiația electromagnetică. Adevărat, conform tradiției stabilite în cosmologie, materia întunecată este de obicei numită „materie întunecată”. Energia este, de asemenea, împărțită în două tipuri. Una dintre ele este doar radiația, o altă substanță care umple Universul. Cândva, radiația a determinat evoluția lumii noastre, dar acum rolul ei a scăzut la aproape zero absolut, mai exact la 3 grade Kelvin - temperatura așa-numitei radiații cosmice cu microunde care vine din toate direcțiile spațiului. . Aceasta este o rămășiță (relicvă) a tinereții fierbinți a Universului nostru. Dar s-ar putea să nu fi știut niciodată despre un alt tip de energie, care nu interacționează cu materia sau radiația și se manifestă exclusiv gravitațional, dacă nu pentru cercetări în domeniul cosmologiei.

Cu radiația și materia obișnuită constând din atomi, avem de-a face în mod constant viata de zi cu zi. Știm mult mai puțin despre materia întunecată. Cu toate acestea, s-a stabilit destul de sigur că purtătorul său fizic este anumite particule care interacționează slab. Chiar și unele proprietăți ale acestor particule sunt cunoscute, de exemplu, că au masă și se mișcă mult mai încet decât lumina. Cu toate acestea, nu au fost niciodată înregistrate de detectoare artificiale.

Cea mai mare greșeală a lui Einstein

Întrebarea naturii energiei întunecate este și mai tulbure. Prin urmare, așa cum se întâmplă adesea în știință, este mai bine să răspundeți prin descrierea fundalului întrebării. Începe în 1917, un an memorabil pentru țara noastră, când creatorul teoriei generale a relativității, Albert Einstein, publicând o soluție la problema evoluției Universului, a introdus în circulația științifică conceptul de constantă cosmologică. În ecuațiile sale care descriu proprietățile gravitației, el a desemnat-o cu litera greacă „lambda” (Λ). Așa și-a primit al doilea nume - membru lambda. Scopul constantei cosmologice a fost de a face Universul staționar, adică neschimbător și etern. Fără termenul lambda, ecuațiile relativității generale au prezis că universul ar trebui să fie instabil, ca un balon care și-a pierdut brusc tot aerul. Einstein nu a studiat serios un astfel de Univers instabil, ci s-a limitat la restabilirea echilibrului prin introducerea unei constante cosmologice.

Cu toate acestea, mai târziu, în 1922-1924, remarcabilul nostru compatriot Alexander Friedman a arătat că în soarta Universului constanta cosmologică nu poate juca rolul unui „stabilizator” și s-a aventurat să ia în considerare modele instabile ale Universului. Drept urmare, el a reușit să găsească soluții non-staționare ale ecuațiilor lui Einstein, necunoscute încă la acea vreme, în care Universul în ansamblu sa contractat sau sa extins.

În acei ani, cosmologia era o știință pur speculativă, încercând să aplice ecuațiile fizice pur teoretic Universului ca întreg. Prin urmare, soluțiile lui Friedman au fost inițial percepute – inclusiv de către însuși Einstein – ca un exercițiu matematic. L-au amintit după descoperirea recesiunii galaxiilor în 1929. Soluțiile lui Friedmann au fost excelente pentru descrierea observațiilor și au devenit cel mai important și utilizat model cosmologic. Iar Einstein a numit mai târziu constanta cosmologică „cea mai mare greșeală științifică a sa”.

Supernove îndepărtate

Treptat, baza observațională a cosmologiei a devenit din ce în ce mai puternică, iar cercetătorii au învățat nu numai să pună întrebări naturii, ci și să obțină răspunsuri la acestea. Și odată cu noile rezultate, numărul argumentelor în favoarea existenței reale a „cea mai mare greșeală științifică” a lui Einstein a crescut. Au început să vorbească despre asta cu voce tare în 1998, după ce au observat supernove îndepărtate, ceea ce a indicat că expansiunea Universului se accelerează. Aceasta însemna că în Univers a existat o anumită forță de respingere și, prin urmare, o energie corespunzătoare, similară în manifestările sale cu efectul termenului lambda din ecuațiile lui Einstein. În esență, termenul lambda este o descriere matematică a celui mai simplu caz special de energie întunecată.

Să ne amintim că, conform observațiilor, expansiunea cosmologică se supune legii lui Hubble: cu cât distanța dintre două galaxii este mai mare, cu atât se îndepărtează mai repede una de cealaltă, iar viteza determinată de deplasarea la roșu în spectrele galaxiilor este direct proporțională cu distanța. . Dar până de curând, legea lui Hubble a fost testată direct doar la distanțe relativ mici - cele care puteau fi măsurate mai mult sau mai puțin precis. Modul în care Universul s-a extins în trecutul îndepărtat, adică pe distanțe mari, a putut fi judecat doar din datele observaționale indirecte. A fost posibil să se testeze direct legea lui Hubble la distanțe mari abia la sfârșitul secolului al XX-lea, când a apărut o modalitate de a determina distanțele până la galaxiile îndepărtate față de supernovele care au izbucnit în ele.

O supernovă este un moment din viața unei stele masive când experimentează o explozie catastrofală. Supernovele vin în diferite tipuri, în funcție de circumstanțele specifice care preced cataclismul. În timpul observațiilor, tipul de flare este determinat de spectrul și forma curbei luminii. Supernovele, denumite Ia, apar în explozia termonucleară a unei pitice albe a cărei masă a depășit un prag de ~1,4 mase solare, numită limită Chandrasekhar. Atâta timp cât masa piticei albe este sub o valoare de prag, forța gravitațională a stelei este echilibrată de presiunea gazului electron degenerat. Dar dacă într-un sistem binar apropiat, materia curge pe ea de la o stea vecină, atunci la un moment dat presiunea electronilor se dovedește a fi insuficientă și steaua explodează, iar astronomii înregistrează o altă explozie de supernovă de tip Ia. Deoarece masa de prag și motivul pentru care o pitică albă explodează sunt întotdeauna aceleași, astfel de supernove la luminozitate maximă ar trebui să aibă aceeași și foarte mare luminozitate și pot servi drept „lumânare standard” pentru determinarea distanțelor intergalactice. Dacă colectăm date despre multe astfel de supernove și comparăm distanțele până la acestea cu deplasările către roșu ale galaxiilor în care au avut loc izbucnirile, putem determina modul în care rata de expansiune a Universului s-a schimbat în trecut și putem selecta modelul cosmologic adecvat, în special valoarea corespunzătoare a termenului lambda (densitate întunecată).

Cu toate acestea, în ciuda simplității și clarității acestei metode, se confruntă cu o serie de dificultăți serioase. În primul rând, lipsa unei teorii detaliate a exploziei supernovelor de tip Ia face ca statutul lor de lumânare standard să fie precar. Natura exploziei și, prin urmare, luminozitatea supernovei pot fi afectate de viteza de rotație a piticii albe, compozitia chimica miezul său, cantitatea de hidrogen și heliu care a trecut pe el de la o stea vecină. Cum afectează toate acestea curbele luminii nu este încă cunoscut cu certitudine. În cele din urmă, supernovele nu izbucnesc în spațiul gol, ci în galaxii, iar lumina erupției poate fi, de exemplu, slăbită de un nor aleatoriu de gaz și praf întâlnit în drum spre Pământ. Toate acestea pun la îndoială posibilitatea de a folosi supernove ca lumânări standard. Și dacă acesta ar fi fost singurul argument în favoarea existenței energiei întunecate, acest articol cu ​​greu ar fi fost scris. Deci, în timp ce argumentul supernovei a stârnit dezbateri pe scară largă despre energia întunecată (și chiar despre termenul în sine), încrederea cosmologilor în existența sa se bazează pe alte argumente mai convingătoare. Din păcate, ele nu sunt atât de simple și, prin urmare, pot fi descrise doar în termeni cei mai generali.

O scurtă istorie a vremurilor

De idei moderne, nașterea Universului trebuie descrisă în termenii teoriei cuantice a gravitației încă necreate. Conceptul de „vârstă a Universului” are sens pentru momente de timp nu mai devreme de 10-43 de secunde. La scară mai mică nu mai este posibil să vorbim despre fluxul liniar al timpului cu care suntem obișnuiți. Proprietățile topologice ale spațiului devin, de asemenea, instabile. Aparent, la scară mică, spațiu-timp este umplut cu „găuri de vierme” microscopice - un fel de tuneluri care conectează regiuni separate ale Universului. Cu toate acestea, este imposibil să vorbim și despre distanțe sau despre ordinea evenimentelor. În literatura științifică, o astfel de stare de spațiu-timp cu o topologie fluctuantă se numește spumă cuantică. Din motive încă necunoscute, poate din cauza fluctuațiilor cuantice, în spațiul Universului apare un câmp fizic, care la aproximativ 10-35 de secunde face ca Universul să se extindă cu o accelerație colosală. Acest proces se numește inflație, iar câmpul care îl provoacă se numește inflaton. Spre deosebire de economie, unde inflația este un rău necesar care trebuie combătut, în cosmologie inflația, adică expansiunea exponențial rapidă a Universului, este un lucru bun. Ei îi datorăm că Universul a câștigat dimensiune mareși geometrie plană. La sfârșitul acestei scurte epoci de expansiune accelerată, energia stocată în inflaton dă naștere materiei pe care o cunoaștem: un amestec de radiații și particule masive încălzite la temperaturi enorme, precum și energie întunecată, abia vizibilă pe fundalul lor. Putem spune că acesta este Big Bang-ul. Cosmologii vorbesc despre acest moment ca fiind începutul unei ere dominate de radiații în evoluția Universului, deoarece cea mai mare parte a energiei în acest moment provine din radiații. Cu toate acestea, expansiunea Universului continuă (deși acum fără accelerare) și afectează principalele tipuri de materie în moduri diferite. Densitatea minusculă a energiei întunecate nu se modifică în timp, densitatea materiei scade invers proporțional cu volumul Universului, iar densitatea radiațiilor scade și mai repede. Drept urmare, după 300 de mii de ani, forma dominantă a materiei din Univers devine materie, cea mai mare parte fiind materie întunecată. Din acest moment, creșterea perturbărilor în densitatea materiei, abia mocnind în stadiul de dominație a radiațiilor, devine suficient de rapidă pentru a duce la formarea galaxiilor, stelelor și planetelor atât de necesare umanității. Forța motrice a acestui proces este instabilitatea gravitațională, ceea ce duce la aglomerarea materiei. Au rămas neomogenități abia vizibile din momentul decăderii inflatonului, dar atâta timp cât radiația a dominat Universul, a prevenit dezvoltarea instabilității.
Acum materia întunecată începe să joace un rol major. Sub influența propriei gravitații, regiunile cu densitate crescută se opresc în expansiune și încep să se contracte, drept urmare din materia întunecată se formează sisteme legate gravitațional numite halouri. În câmpul gravitațional al Universului, se formează „găuri” în care se năpustește materia obișnuită. Acumulându-se în interiorul halou, formează galaxii și grupurile lor. Acest proces de formare a structurilor a început cu mai bine de 10 miliarde de ani în urmă și a continuat să crească până când a avut loc ultimul punct de cotitură în evoluția Universului. După 7 miliarde de ani (aproximativ jumătate din vârsta actuală a Universului), densitatea materiei, care a continuat să scadă din cauza expansiunii cosmologice, a devenit mai mică decât densitatea energiei întunecate. Astfel, epoca dominației materiei a luat sfârșit, iar acum energia întunecată controlează evoluția Universului. Oricare ar fi natura ei fizică, ea se manifestă prin faptul că expansiunea cosmologică din nou, ca și în epoca inflației, începe să se accelereze, doar că de această dată foarte încet. Dar chiar și acest lucru este suficient pentru a încetini formarea structurilor, iar în viitor ar trebui să se oprească cu totul: orice formațiuni insuficient de dense vor fi disipate de expansiunea accelerată a Universului. „Fereastra” de timp în care funcționează instabilitatea gravitațională și apar galaxiile se va închide în zeci de miliarde de ani. Evoluția ulterioară a Universului depinde de natura energiei întunecate. Dacă aceasta este o constantă cosmologică, atunci expansiunea accelerată a Universului va continua pentru totdeauna. Dacă energia întunecată este un câmp scalar ultra-slab, atunci după ce atinge o stare de echilibru, expansiunea Universului va începe să încetinească și, eventual, va fi înlocuită de compresie. În timp ce natura fizică a energiei întunecate este necunoscută, toate acestea nu sunt altceva decât ipoteze speculative. Astfel, un singur lucru poate fi spus cu certitudine: expansiunea accelerată a Universului va continua timp de câteva zeci de miliarde de ani. În acest timp, casa noastră cosmică - galaxia Calea Lactee - se va contopi cu vecina sa - Nebuloasa Andromeda (și majoritatea galaxiilor satelit mai mici care fac parte din Grupul Local). Toate celelalte galaxii vor zbura la distanțe mari, astfel încât multe dintre ele nu vor fi vizibile nici măcar cu cel mai puternic telescop. Cât despre radiația cosmică de fond cu microunde, care ne aduce atât de multe informatii vitale despre structura Universului, atunci temperatura acestuia va scădea aproape la zero, iar această sursă de informații se va pierde. Omenirea va rămâne Robinson pe insulă cu perspectiva efemeră de a achiziționa cel puțin vineri.

Structura pe scară largă a Universului

Cosmologii au două surse principale de cunoștințe despre structura pe scară largă a Universului. În primul rând, aceasta este distribuția materiei luminoase, adică a galaxiilor, în spațiul care ne înconjoară. Harta tridimensională arată în ce structuri - grupuri, clustere, superclustere - galaxii sunt unite și care sunt dimensiunile, formele și numerele caracteristice acestor formațiuni. Acest lucru face clar modul în care materia este distribuită în Universul modern.

O altă sursă de informații este distribuția intensității radiației cosmice de fond cu microunde peste sfera cerească. O hartă a cerului în intervalul de microunde conține informații despre distribuția neomogenităților de densitate în Universul timpuriu, când vârsta lui era de aproximativ 300 de mii de ani - atunci materia a devenit transparentă la radiații. Distanțele unghiulare dintre punctele de pe harta cu microunde indică dimensiunea neregulilor la acel moment, iar diferențele de luminozitate (apropo, sunt foarte mici, de ordinul a o sutime de procent) indică gradul de compactare a embrionilor viitoarelor clustere de galaxii. Astfel, avem, parcă, două secțiuni de timp: structura Universului în momente la 300 de mii și 14 miliarde de ani după Big Bang.

Teoria spune că caracteristicile structurilor observate depind puternic de cât de mult din materie din Univers este materie (regulată și întunecată). Calculele bazate pe date observaționale arată că ponderea sa astăzi este de aproximativ 30% (din care doar 5% este materie obișnuită constând din atomi). Aceasta înseamnă că restul de 70% este materie care nu este inclusă în nicio structură, adică energie întunecată. Acest argument nu este atât de transparent, deoarece în spatele lui există calcule complexe care descriu formarea structurilor din Univers. Cu toate acestea, este într-adevăr mai puternic. Acest lucru poate fi ilustrat cu această analogie. Imaginați-vă că o civilizație extraterestră caută să descopere viața inteligentă pe Pământ. Un grup de cercetători a observat emisii radio puternice venite de pe planeta noastră, care se schimbă periodic în frecvență și intensitate și atribuie acest lucru muncii echipamentelor electronice. Un alt grup a trimis o sondă pe Pământ și a fotografiat pătrate de câmpuri, linii de drum și noduri ale orașului. Primul argument este, desigur, mai simplu, dar al doilea este mai convingător.

Continuând această analogie, putem spune că o dovadă și mai clară a vieții inteligente ar fi observarea formării structurilor enumerate. Desigur, nu este încă posibil ca oamenii să observe în timp real cum se formează grupurile de galaxii. Cu toate acestea, este posibil să se determine cum s-a schimbat numărul lor în timpul evoluției Universului. Cert este că, datorită vitezei finite a luminii, observarea obiectelor la distanțe mari echivalează cu privirea în trecut.

Rata de formare a galaxiilor și a clusterelor lor este determinată de rata de creștere a perturbărilor de densitate, care, la rândul său, depinde de parametrii modelului cosmologic, în special de raportul dintre materie și energia întunecată. Într-un Univers cu o mare proporție de energie întunecată, perturbațiile cresc încet, ceea ce înseamnă că astăzi ar trebui să existe doar puțin mai multe grupuri de galaxii decât în ​​trecut, iar numărul lor va scădea lent odată cu distanța. În schimb, într-un Univers fără energie întunecată, numărul de clustere scade destul de repede pe măsură ce ne adâncim în trecut. Prin determinarea ratei de apariție a noilor clustere de galaxii din observații, este posibil să se obțină o estimare independentă a densității energiei întunecate.

Există și alte argumente de observație independente care confirmă existența unui mediu omogen, care are o influență decisivă asupra structurii și evoluției Universului. Putem spune că afirmația despre existența energiei întunecate a fost rezultatul dezvoltării întregii cosmologii observaționale a secolului XX.

Aspirator și alte modele

În timp ce majoritatea cosmologilor nu se mai îndoiesc de existența energiei întunecate, încă nu există claritate cu privire la natura acesteia. Cu toate acestea, nu este prima dată când fizicienii se află într-o astfel de situație. Multe teorii noi încep cu fenomenologia, adică o descriere formală matematică a unui anumit efect, iar explicațiile intuitive apar mult mai târziu. Pentru azi, descriind proprietăți fizice energie întunecată, cosmologii pronunță cuvinte care pentru cei neinițiați sunt mai degrabă ca o vrajă: acesta este un mediu a cărui presiune este egală cu densitatea de energie ca mărime, dar semn opus. Dacă această relație ciudată este înlocuită în ecuația lui Einstein din teoria generală a relativității, se dovedește că un astfel de mediu este respins gravitațional de la sine și, ca urmare, se extinde rapid și nu se va aduna niciodată în aglomerări.

Acest lucru nu înseamnă că ne ocupăm adesea de astfel de chestiuni. Cu toate acestea, exact așa au descris fizicienii vidul de mulți ani. Conform conceptelor moderne, particulele elementare nu există în spațiul gol, ci într-un mediu special - un vid fizic, care determină cu precizie proprietățile lor. Acest mediu poate fi în diferite stări, diferă în densitatea energiei stocate, iar în diferite tipuri de vid, particulele elementare se comportă diferit.

Aspiratorul nostru obișnuit are cea mai mică energie. Existența unui vid instabil, mai energetic, care corespunde așa-numitei interacțiuni electroslăbite, a fost descoperită experimental. Începe să apară la energii ale particulelor de peste 100 gigaelectronvolți - acesta este doar un ordin de mărime sub limita capacităților acceleratoarelor moderne. Teoretic sunt prezise și mai multe tipuri energetice de vid. Se poate presupune că vidul nostru obișnuit nu are o densitate de energie zero, ci doar una care oferă valoarea dorită a termenului lambda din ecuația lui Einstein.

Cu toate acestea, aceasta buna idee Ideea de a atribui energie întunecată vidului nu îi entuziasmează pe cercetătorii care lucrează la intersecția dintre fizica particulelor și cosmologia. Faptul este că acest tip de vid ar trebui să corespundă unei energii a particulelor de numai aproximativ o miime de electronvolt. Dar această gamă de energie, care se află la granița dintre radiația infraroșie și cea radio, a fost mult timp studiată de către fizicieni și nu s-a găsit nimic anormal acolo.

Prin urmare, cercetătorii sunt înclinați să creadă că energia întunecată este o manifestare a unui nou câmp ultra-slab care nu a fost încă descoperit în condiții de laborator. Această idee este similară cu cea care stă la baza cosmologiei inflaționiste moderne. Și acolo, expansiunea ultra-rapidă a tânărului Univers are loc sub influența așa-numitului câmp scalar, doar că densitatea sa de energie este mult mai mare decât cea care este responsabilă de accelerarea lentă actuală în expansiunea Universului. Se poate presupune că câmpul, care este purtătorul de energie întunecată, a rămas ca o relicvă a Big Bang-ului și a fost într-o stare de „hibernare” pentru o lungă perioadă de timp, în timp ce a durat dominația primei radiații și apoi a materiei întunecate.

Presiune negativă și repulsie gravitațională

Când descriu energia întunecată, cosmologii cred că principala sa proprietate este presiunea negativă. Ea duce la apariția forțelor gravitaționale respingătoare, pe care nespecialiștii le numesc uneori antigravitație. Această afirmație conține două paradoxuri simultan. Să le privim secvenţial.

Cum poate fi presiunea negativă? Se știe că presiunea unei substanțe obișnuite este asociată cu mișcarea moleculelor. Lovind peretele vasului, moleculele de gaz își transferă impulsul către acesta, îl împing și pun presiune asupra acestuia. Particulele libere nu pot crea presiune negativă, nu pot „trage pătura peste ele însele”, dar într-un corp solid acest lucru este foarte posibil. O analogie bună pentru presiunea negativă a energiei întunecate este învelișul balon. Fiecare centimetru pătrat al acestuia este întins și tinde să se micșoreze. Dacă ar apărea un gol undeva în carcasă, acesta s-ar micșora imediat într-o cârpă mică de cauciuc. Dar, în timp ce nu există nicio ruptură, tensiunea negativă este distribuită uniform pe întreaga suprafață. Mai mult, dacă balonul este umflat, cauciucul va deveni mai subțire, iar energia stocată în tensiunea lui va crește. Densitatea materiei și a energiei întunecate se comportă într-un mod similar pe măsură ce Universul se extinde.

De ce presiunea negativă accelerează expansiunea? S-ar părea că, sub influența presiunii negative a energiei întunecate, Universul ar trebui să se contracte sau, cel puțin, să-și încetinească expansiunea, care a început în momentul Big Bang-ului. Dar opusul este adevărat, pentru că presiunea negativă a energiei întunecate este prea... mare.

Cert este că, conform teoriei generale a relativității, gravitația depinde nu numai de masă (mai precis, densitatea energiei), ci și de presiune. Cu cât presiunea este mai mare, cu atât gravitația este mai puternică. Și cu cât presiunea negativă este mai mare, cu atât este mai slabă! Adevărat, presiunile realizabile în laboratoare și chiar în centrul Pământului și al Soarelui sunt prea scăzute pentru ca efectul lor asupra gravitației să fie vizibil. Dar presiunea negativă a energiei întunecate, dimpotrivă, este atât de mare încât învinge atât atracția propriei sale mase, cât și a masei tuturor celorlalte materii. Se pare că o substanță masivă cu presiune negativă foarte puternică, în mod paradoxal, nu se comprimă, ci, dimpotrivă, se umflă sub influența propriei gravitații. Imaginați-vă un stat totalitar care, în efortul de a-și asigura securitatea, îngrădește libertatea într-o asemenea măsură încât cetățenii fug din țară în masă, se revoltă și, în cele din urmă, distrug statul însuși. De ce eforturile excesive de întărire a statului au ca rezultat distrugerea acestuia? Aceasta este natura oamenilor - ei rezistă suprimării. De ce presiunea negativă extremă duce la expansiune în loc de compresie? Acestea sunt proprietățile gravitației exprimate de ecuația lui Einstein. Desigur, o analogie nu este o explicație, dar ajută la „înțelegerea” paradoxurilor energiei întunecate.

Cum să cântărim structura?

Energia întunecată este cea mai importantă dovadă a existenței unor fenomene care nu sunt descrise de fizica modernă. Prin urmare, un studiu detaliat al proprietăților sale este cea mai importantă sarcină a cosmologiei observaționale. Pentru a afla natura fizică a energiei întunecate, este necesar în primul rând să studiem cât mai precis posibil modul în care s-a schimbat regimul de expansiune al Universului în trecut. Se poate încerca să măsoare direct dependența ratei de expansiune de distanță. Cu toate acestea, din cauza lipsei de metode fiabile în astronomie pentru determinarea distanțelor extragalactice, este aproape imposibil să se obțină precizia necesară pe această cale. Dar există și alte modalități mai promițătoare de a măsura energia întunecată, care sunt o extensie logică a argumentului structural pentru existența ei.

După cum sa menționat deja, rata de formare a structurilor depinde foarte mult de densitatea energiei întunecate. El însuși nu poate să se agrupeze și să creeze structuri și previne gruparea gravitațională a materiei întunecate și obișnuite. Apropo, acesta este motivul pentru care în epoca noastră acele bulgări de materie care nu au început încă să se „dizolve” treptat în marea energiei întunecate, încetând să „simtă” atracția reciprocă. Omenirea, astfel, este martoră la rata maximă de formare a structurilor din istoria Universului. În viitor va scădea doar.

Pentru a determina modul în care densitatea energiei întunecate s-a schimbat de-a lungul timpului, trebuie să învățați cum să „cântăriți” structura Universului - galaxii și grupurile lor - la diferite deplasări spre roșu. Există multe modalități de a face acest lucru, deoarece obiectele de măsurare - galaxiile - sunt bine studiate și vizibile chiar și la distanțe mari. Cea mai simplă abordare este să numărați cu atenție galaxiile și structurile lor folosind harta tridimensională menționată mai sus a distribuției spațiale a galaxiilor. Într-o altă metodă, masa unei structuri este estimată din câmpul gravitațional neomogen pe care îl creează. Pe măsură ce lumina trece prin structură, este deviată de gravitația sa, determinând distorsionarea imaginilor galaxiilor îndepărtate pe care le vedem. Acest efect se numește lentilă gravitațională. Măsurând distorsiunile rezultate, este posibilă determinarea (cântărirea) structurii de-a lungul căii luminii. Primele observații de succes au fost deja făcute folosind această metodă, iar experimentele spațiale sunt planificate pentru viitor - la urma urmei, este necesar să se obțină acuratețe maximă a măsurătorilor.

Așadar, trăim într-o lume a cărei dinamică de expansiune este controlată de o formă de materie necunoscută nouă. Și singura cunoaștere de încredere despre ea, pe lângă faptul că există, este ecuația de stare de tip vid, aceeași legătură particulară între densitatea energiei și presiune. Nu știm încă dacă și cum natura acestei relații se schimbă în timp. Aceasta înseamnă că toate discuțiile despre viitorul Universului sunt în esență speculative, bazate în mare parte pe opiniile estetice ale autorilor lor. Dar am intrat într-o eră a cosmologiei precise, bazată pe instrumente de observație de înaltă tehnologie și metode statistice avansate pentru prelucrarea datelor. Dacă astronomia continuă să se dezvolte în același ritm ca și astăzi, misterul energiei întunecate va fi rezolvat de actuala generație de cercetători.

Fizicienii iubesc sloganele. De ceva vreme, se obișnuiește printre ei să dea nume „neștiințifice” entităților nou descoperite. Luați quarkurile ciudate și fermecatoare, de exemplu. Deci energia întunecată nu este un sinonim pentru forțele întunecate, ci un termen creat pentru a desemna unele proprietăți neobișnuite ale Universului nostru.

Descoperirea energiei întunecate a fost făcută folosind metode astronomice și a fost o surpriză completă pentru majoritatea fizicienilor. Energia întunecată este poate principalul mister științe naturale moderne. Este probabil ca soluția sa să devină cel mai important eveniment din fizica secolului 21, comparabil ca scară cu cele mai mari descoperiri din trecutul recent, precum descoperirea fenomenului de expansiune a Universului.

Este chiar posibil ca o dezvoltare atât de radicală a teoriei să aibă loc, încât să fie la egalitate cu crearea teoriei generale a relativității, descoperirea curburii spațiu-timpului și legătura acestei curburi cu forțele gravitaționale. Suntem acum la începutul călătoriei și a vorbi despre energia întunecată este o oportunitate de a privi în „laboratorul” fizicienilor într-un moment în care munca lor este în plină desfășurare.

Puțină istorie

Faptul că „ceva nu este în regulă” în Universul nostru a devenit clar pentru cosmologi la începutul anilor 1990. Pentru clarificare, este util să amintim legea expansiunii Universului. Galaxiile care sunt îndepărtate unele de altele se împrăștie și, cu cât galaxia este mai departe, cu atât se îndepărtează mai repede de noi. Cantitativ, rata de expansiune este caracterizată de parametrul Hubble. La începutul anilor 1990, valoarea parametrului Hubble în Universul modern a fost destul de bine măsurată: rata de expansiune a Universului de astăzi este de așa natură încât galaxiile situate la o distanță de 1 miliard de ani lumină de Pământ scapă de noi cu o viteză. de 24 mii km/s.

Rețineți că parametrul Hubble depinde de timp: în trecutul îndepărtat, Universul s-a extins mult mai repede decât acum și, în consecință, parametrul Hubble a fost mult mai mare.

În teoria modernă a gravitației - teoria generală a relativității - parametrul Hubble este legat în mod unic de alte două caracteristici ale Universului: în primul rând, cu densitatea totală de energie a tuturor formelor de materie, vid etc., și în al doilea rând, cu curbura spatiului tridimensional. Spațiul nostru tridimensional, în general, nu trebuie să fie euclidian; geometria sa poate, de exemplu, să fie similară cu geometria unei sfere; Suma unghiurilor unui triunghi poate să nu fie egală cu 180°. În acest caz, „elasticitatea” spațiului din punctul de vedere al expansiunii Universului joacă același rol ca și densitatea energetică.

La începutul anilor 1990, densitatea energetică a materiei „normale” din Universul modern a fost, de asemenea, estimată cu o bună acuratețe. Este „normal” în sensul că experimentează aceleași interacțiuni gravitaționale ca și materia obișnuită. Problema, însă, este complicată de faptul că cea mai mare parte a materiei „normale” este așa-numita materie întunecată. Materia întunecată constă aparent din noi, nedescoperite încă în experimentele terestre, particule elementare care interacționează extrem de slab cu materia (mai slabe decât neutrinii!), dar experimentează în egală măsură interacțiune gravitațională. Tocmai prin efectul atracției gravitaționale a fost descoperită. Mai mult, măsurătorile forțelor gravitaționale din clusterele de galaxii au făcut posibilă determinarea masei de materie întunecată din ele și, în cele din urmă, în Universul în ansamblu. Astfel, a fost găsită densitatea totală de energie a materiei „normale” (pentru aceasta este valabilă celebra formulă E = mс 2).

Și ce sa întâmplat? S-a dovedit că materia „normală” nu este în mod clar suficientă pentru a explica rata măsurată de expansiune a Universului. În plus, există o lipsă gravă: „lipsa” a fost de aproximativ 2/3 (conform estimărilor moderne - aproximativ 70%). Au existat două explicații posibile pentru acest fapt: fie spațiul tridimensional este curbat, iar contribuția lipsă la parametrul Hubble este asociată cu „elasticitatea” acestuia, fie există formă nouă energie, care mai târziu a devenit cunoscută drept „energie întunecată”.

Din punct de vedere teoretic, ambele posibilități - natura non-euclidiană a spațiului și energia întunecată - păreau extrem de neplauzibile.

Să începem cu curbura spațiului tridimensional. Pe măsură ce Universul se extinde, spațiul se netezește și curbura acestuia scade. Dacă curbura este diferită de zero acum, atunci a fost mai mare în trecut decât este astăzi. Cu toate acestea, densitatea de energie (masă) a materiei scade și mai repede pe măsură ce Universul se extinde. Aceasta înseamnă că în trecut contribuția relativă a curburii la parametrul Hubble a fost foarte mică, iar contribuția principală - cu o marjă mare - a fost contribuția materiei. Pentru ca expansiunea Universului să fie asigurată în proporție de 70% de curbură astăzi, este necesar să „ajustăm” valoarea razei de curbură a spațiului în trecut cu o precizie fantastică - la o secundă după Big Bang ar fi trebuit să fie egal cu un miliard de raze ale părții de Univers observate la acea vreme, nici mai mult, nici mai puțin! Fără o astfel de potrivire, curbura de astăzi ar fi fie cu multe ordine de mărime mai mare, fie cu multe ordine de mărime mai mică decât este necesar pentru a explica observațiile.

Această problemă a fost una dintre principalele considerații care au condus la ideea stadiului inflaționist al evoluției Universului. Conform teoriei inflației, propusă de Alexei Starobinsky și independent de Alan Guth și modelată de lucrările lui Andrei Linde, Andreas Albrecht și Paul Steinhardt, Universul, într-un stadiu foarte incipient al evoluției sale, a trecut printr-o etapă extrem de rapidă, expansiune exponenţială (inflaţie, inflaţie). La sfârșitul acestei etape, Universul s-a încălzit până la o foarte mare temperatură ridicată, și a început epoca Big Bang-ului fierbinte.

Deși stadiul inflaționist a durat cel mai probabil doar o mică fracțiune de secundă, în acest timp Universul s-a extins cu zeci sau sute de ordine de mărime (sau mult mai mult), iar curbura spațiului a scăzut la aproape zero. Astfel, teoria inflaționistă duce la predicția că spațiul Universului modern cu cel mai înalt grad Precizie euclidiană. Acest lucru, desigur, contravine ipotezei că Universul se extinde astăzi cu 70% din cauza curburii.

Acțiunea energiei întunecate este similară cu inflația cosmologică a primelor momente ale Universului, doar la o scară complet diferită - o densitate energetică nesemnificativă, accelerare lentă. Această scară mică mare mister, este complet neclar modul în care energia întunecată poate fi legată de fizica particulelor și a câmpurilor cunoscute nouă. Vom reveni la această ghicitoare mai târziu.

În dilema dacă energia întunecată sau curbura este responsabilă pentru lipsa a 70% din densitatea Universului, aceasta din urmă a fost mult mai populară. Descoperirea a avut loc în 1998-1999, când două echipe americane, una condusă de Adam Reiss și Brian Schmidt și cealaltă de Saul Perlmutter, au raportat observații ale supernovelor îndepărtate de tip Ia. Din aceste observații a rezultat că Universul nostru se extinde într-un ritm accelerat. Această proprietate este complet în concordanță cu ideea de energie întunecată, în timp ce curbura spațiului nu duce la o expansiune accelerată.

Câteva cuvinte despre supernovele de tip Ia. Acestea sunt pitice albe care, alimentate de materia dintr-o stea însoțitoare, au atins așa-numita limită Chandrasekhar, după care și-au pierdut stabilitatea, au explodat și s-au prăbușit în stele neutroni. Limita Chandrasekhar este aceeași pentru toate piticile albe în sine sunt similare între ele, prin urmare exploziile sunt într-un anumit sens aceleași. Cu alte cuvinte, supernovele de tip Ia sunt „lumânări standard”: cunoscând luminozitatea absolută și măsurând luminozitatea aparentă (fluxul de energie care vine pe Pământ), puteți determina distanța până la fiecare dintre ele. În același timp, este posibil să se stabilească viteza cu care fiecare dintre supernove se îndepărtează de noi (folosind efectul Doppler).

Supernovele sunt obiecte foarte luminoase și pot fi văzute la distanțe mari. Cu alte cuvinte, supernovele îndepărtate pe care le observăm acum au explodat cu mult timp în urmă și, prin urmare, viteza lor de evacuare a fost determinată de rata de expansiune a Universului de atunci, în trecutul îndepărtat. Astfel, observațiile supernovelor de tip Ia fac posibilă determinarea ratei de expansiune la un nivel relativ stadii incipiente evoluția Universului (cu 8 miliarde de ani în urmă și chiar puțin mai devreme) și să urmărească dependența acestei rate în timp. Acesta este ceea ce a făcut posibil să se stabilească că Universul se extinde într-un ritm accelerat.

Dovada finală că curbura spațiului tridimensional al Universului este mică a fost obținută prin studierea hărții radiației cosmice de fond cu microunde.

În perioada emisiei de fotoni relicte, Universul nu era tocmai omogen. Neomogenitățile care existau atunci erau embrionii structurilor - primele stele, galaxii, clustere de galaxii. La acea vreme, neomogenitățile plasmatice erau unde sonore. Este important că la acea vreme Universul avea o scară caracteristică a distanței. Undele sonore cu o lungime mai mare și, în consecință, o perioadă mai lungă nu avuseseră încă timp să se dezvolte până în epoca radiației fotonilor relicte, iar undele cu lungimea „corectă” tocmai reușiseră să atingă faza de amplitudine maximă. Această lungime de undă „corectă” reprezintă „rigla standard” a erei emisiei de fotoni CMB; dimensiunea sa este calculată în mod fiabil în teoria Big Bang-ului fierbinte și apare pe harta CMB.

La începutul secolelor 20-21, în experimentele BOOMERANG și MAXIMA, a fost măsurat pentru prima dată unghiul la care „rigla standard” tocmai discutată este vizibilă. Este clar că acest unghi depinde de geometria spațiului: dacă suma unghiurilor unui triunghi depășește 180°, atunci acest unghi este mai mare. Ca urmare, s-a constatat că spațiul nostru tridimensional este euclidian cu un grad bun de precizie. Măsurătorile ulterioare au confirmat această concluzie. Din punctul de vedere al expansiunii Universului, rezultatele existente înseamnă că curbura spațiului are o contribuție neglijabilă (mai puțin de 1%) la parametrul Hubble. Rata de expansiune a Universului este acum de 70% din cauza energiei întunecate.

Ei nu mai știu nimic despre ea

Ce proprietăți ale energiei întunecate sunt cunoscute în prezent? Există puține astfel de proprietăți, doar trei. Dar ceea ce se știe poate provoca, pe bună dreptate, uimire.

Primul este faptul că, spre deosebire de materia „normală”, energia întunecată nu se adună, nu se adună în obiecte precum galaxiile sau clusterele lor - este „împrăștiată” uniform în tot Universul. Această afirmație, ca orice afirmație bazată pe observații sau experimente, este adevărată cu o anumită acuratețe. Cu toate acestea, din observații rezultă că abaterile de la omogenitate, dacă există, ar trebui să fie foarte mici ca magnitudine.

Am vorbit deja despre a doua proprietate: energia întunecată face ca Universul să se extindă cu accelerație. În acest fel, energia întunecată este, de asemenea, izbitor de diferită de materia normală, care încetinește expansiunea. Cele două proprietăți descrise indică faptul că energia întunecată, într-un anumit sens, experimentează antigravitația pentru ea există repulsie gravitațională în loc de atracție gravitațională. Zone de înaltă densitate normal materia, datorită atracției gravitaționale, adună materie din spațiul înconjurător, aceste zone în sine sunt comprimate și formează aglomerări dense. Pentru o substanță antigravitativă, opusul este adevărat: zonele cu densitate crescută (dacă există) sunt întinse din cauza repulsiei gravitaționale, neomogenitățile sunt netezite și nu se formează aglomerări.

A treia proprietate a energiei întunecate este că densitatea sa nu depinde de timp. De asemenea, surprinzător: Universul se extinde, volumul crește, dar densitatea de energie rămâne constantă. Se pare că aici există o contradicție cu legea conservării energiei. În ultimele 8 miliarde de ani, Universul și-a dublat dimensiunea. O zonă a spațiului care avea atunci, să zicem, o dimensiune de 1 m, astăzi are o dimensiune de 2 m, volumul său a crescut de 8 ori, iar energia din acest volum a crescut cu aceeași cantitate. Neconservarea energiei este evidentă.

De fapt, creșterea energiei pe măsură ce Universul se extinde nu contrazice legile fizicii. Energia întunecată este proiectată în așa fel încât spațiul în expansiune funcționează asupra ei, ceea ce duce la o creștere a energiei acestei substanțe în volumul în expansiune al spațiului. Adevărat, expansiunea spațiului este în sine cauzată de energia întunecată, așa că situația amintește de baronul Munchausen care s-a scos din mlaștină de păr. Și totuși nu există nicio contradicție: într-un context cosmologic este imposibil să introduci conceptul deplin energie, care include energia câmpului gravitațional însuși. Deci, nu există nici o lege a conservării energiei, care să interzică creșterea sau scăderea energiei oricărei forme de materie.

Afirmația despre constanța densității energiei întunecate se bazează, de asemenea, pe observații astronomice și, prin urmare, este adevărată și cu o anumită acuratețe. Pentru a caracteriza această acuratețe, subliniem că în ultimii 8 miliarde de ani densitatea energiei întunecate s-a schimbat de cel mult 1,1 ori. Astăzi putem spune asta cu încredere.

Rețineți că a doua și a treia proprietăți ale energiei întunecate - capacitatea de a duce la o expansiune accelerată a Universului și constanța acestuia în timp (sau, mai general, o dependență foarte lentă de timp) - sunt de fapt strâns legate. Această legătură decurge din ecuațiile relativității generale. În cadrul acestei teorii, expansiunea accelerată a Universului are loc tocmai atunci când densitatea de energie din acesta fie nu se schimbă deloc, fie se schimbă foarte lent. Astfel, antigravitația energiei întunecate și a acesteia relații dificile cu legea conservării energiei - două fețe ale aceleiași monede.

Acest lucru epuizează în esență informații fiabile despre energia întunecată. Apoi începe zona ipotezelor. Înainte de a vorbi despre ele, să discutăm pe scurt o problemă generală.

De ce acum?

Dacă în Universul modern energia întunecată are cea mai mare contribuție la densitatea totală a energiei, atunci în trecut acest lucru era departe de a fi cazul. Să presupunem că acum 8 miliarde de ani, materia normală era de 8 ori mai densă, iar densitatea energiei întunecate era aceeași (sau aproape aceeași) ca și acum. Din aceasta este ușor de concluzionat că la acea vreme raportul dintre energia de repaus a materiei normale și energia întunecată era în favoarea primei: energia întunecată era de aproximativ 13%, și nu 70% așa cum este astăzi. Datorită faptului că materia normală a jucat rolul principal în acel moment, a avut loc expansiunea Universului cu încetinirea . Chiar și mai devreme, influența energiei întunecate asupra expansiunii a fost foarte slabă.

Deci, influența energiei întunecate și accelerarea expansiunii Universului cauzată de aceasta sunt fenomene foarte recente după standarde cosmologice: accelerația a început „abia” acum 6,5 miliarde de ani. Pe de altă parte, deoarece densitatea materiei normale scade cu timpul, dar densitatea energiei întunecate nu scade, energia întunecată va domina în curând (din nou după standardele cosmologice) complet. Aceasta înseamnă că stadiul actual al evoluției cosmologice este o perioadă de tranziție în care energia întunecată joacă deja un rol vizibil, dar expansiunea Universului este determinată nu numai de aceasta, ci și de materia normală. Este această particularitate a timpului nostru o coincidență sau există o proprietate profundă a Universului nostru în spatele ei? Această întrebare este „de ce acum?” - rămâne deschis deocamdată.

Candidații

Dacă nu ar exista gravitația, valoarea absolută a energiei nu ar avea sens fizic. În toate teoriile care descriu natura, cu excepția teoriei interacțiunilor gravitaționale, numai diferenţă energiile anumitor stări. Astfel, când vorbim despre energia de legare a unui atom de hidrogen, ne referim la diferența dintre două mărimi: energia totală de repaus a unui proton și electron liber, pe de o parte, și energia de repaus a atomului, pe de altă parte. Această diferență de energie este eliberată (transferată la fotonul născut) atunci când un electron și un proton se combină pentru a forma un atom. Dacă nu ar fi interacțiunea gravitațională, ar fi vorba despre energia vidului fără rost , ei pur și simplu nu ar fi nimic cu care să-l compare.

Faptul este că energia vidului, ca orice altă energie, „cântărește” gravitează . Vidul este o stare cu cea mai mică energie (prin urmare, apropo, energia nu poate fi luată de la ea), dar această energie nu trebuie să fie egală cu zero; din punct de vedere teoretic, poate fi atât pozitiv, cât și negativ. Dacă poate fi calculat „de la primele principii” este o mare întrebare. Dar în orice caz, energia vidului, dacă este pozitivă, are exact proprietățile pe care ar trebui să le aibă energia întunecată: omogenitate în spațiu și constanță în timp.

După cum am spus mai sus, în teoria generală a relativității, ultima proprietate înseamnă automat că energia vidului duce la expansiunea accelerată a Universului.

Subliniem că omogenitatea în spațiu și constanța în timp sunt proprietăți exacte, nu aproximative ale vidului. Densitatea energiei în vid este o constantă universală (cel puțin în partea din Univers pe care o observăm). Trebuie spus că această constantă - constanta cosmologică, termenul Λ - a fost introdusă în ecuațiile sale de Einstein. Adevărat, el nu a identificat-o cu energia vidului, dar aceasta este o chestiune de terminologie, cel puțin cu înțelegerea modernă a esenței materiei. Einstein și-a abandonat ulterior ideea - poate în zadar.

De ce ideea energiei întunecate ca energie a vidului nu satisface mulți fizicieni? În primul rând, acest lucru se datorează valorii absurd de mică a densității energiei în vid, care este necesară pentru acordul între teorie și observații.

În vid, particulele virtuale se nasc și mor tot timpul, există condens de câmp în el - vidul este mai mult ca un mediu complex decât un vid absolut. Aceasta nu este doar speculație: caracteristicile vidului se reflectă în proprietățile particulelor elementare și interacțiunile lor și sunt în cele din urmă determinate, deși indirect, din numeroase experimente. Energia vidului, în principiu, ar trebui să „știe” cum este structurat, care este structura sa și care sunt valorile parametrilor care îl caracterizează (de exemplu, condensurile de câmp).

Acum să ne imaginăm un înger teoretic care a studiat fizica particulelor elementare, dar nu a auzit nimic despre Universul nostru. Să-i cerem acestui teoretician să prezică densitatea energiei în vid. Pe baza scărilor de energie caracteristice interacțiunilor fundamentale și a scalelor de lungime corespunzătoare, el își va face estimarea - și va fi greșit de un număr inimaginabil de ori - cu zeci de ordine de mărime. Teoreticianul nostru ar prezice așa ceva mai multa energie vid și o astfel de rată de expansiune a Universului cauzată de acesta, încât casele de pe strada următoare ar trebui să zboare departe de noi cu viteze apropiate de viteza luminii!

Problema energiei vidului i-a nedumerit pe fizicienii teoreticieni cu mult înainte de descoperirea energiei întunecate. Astfel, în anii 1920 și 1930, această problemă l-a îngrijorat pe Wolfgang Pauli, care a scris în 1933: „Această energie [a vidului; apoi au folosit termenul „energie punct zero”, Nullpunktsenergie] ar trebui să fie inobservabil în principiu, deoarece nu este emisă, absorbită sau împrăștiată... și din moment ce, după cum este evident din experiență, nu creează un câmp gravitațional.” De ce se întâmplă asta? O posibilitate este ca energia spațiului gol să se schimbe cumva în timp și în cele din urmă să devină aproape de zero. Modelele teoretice specifice care ilustrează această posibilitate sunt extrem de dificil de construit, dar nu imposibil; este și mai dificil să le încadrezi într-un context cosmologic.

Dacă energia întunecată este energie în vid, atunci încercarea de a înțelege de ce este atât de mică se poate face folosind o logică complet diferită. Să ne imaginăm că Universul este extrem de mare, că este de multe ori mai mare decât partea pe care o observăm. Să presupunem, în plus, că în diferite părți foarte vaste ale Universului, pot fi realizate o varietate de stări de vid cu densități de energie foarte diferite. Această posibilitate, de altfel, nu este exclusă teoretic; Mai mult, acesta este exact ceea ce pare să fie cazul în teoria superstringurilor, mai ales dacă Universul trecea printr-o etapă inflaționistă. Regiunile Universului în care densitatea energiei de vid este prea mare în valoare absolută arată complet diferit de regiunea noastră: unde energia de vid este mare și pozitivă, spațiul se extinde atât de repede încât stelele și galaxiile pur și simplu nu au timp să se formeze; în regiunile cu energie negativă mare a vidului, expansiunea spațiului cedează rapid loc compresiunii, iar aceste regiuni se prăbușesc cu mult înainte de formarea stelelor. În ambele cazuri, evoluția cosmologică este incompatibilă cu existența unor observatori ca noi. Și, invers, am putea apărea doar acolo unde densitatea energiei în vid este foarte aproape de zero - și acolo am apărut.

După cum se spune, această viziune antropică asupra problemei energiei vidului a fost exprimată în urmă cu mai bine de 20 de ani în lucrările lui Andrei Linde și Steven Weinberg. Acum este popular printre o parte semnificativă a fizicienilor teoreticieni. Cealaltă parte îl percepe ca pe o modalitate de a scăpa de problemă. Cea mai echilibrată abordare este probabil să nu excludeți explicația antropică ca posibil răspuns final, dar să încercați totuși să găsiți solutie alternativa probleme de energie în vid și energie întunecată.

O alternativă la vid ca purtător de energie întunecată poate servi ca un câmp nou, „vărsat” în Univers. În această versiune, energia noului câmp este energie întunecată. Acest câmp ar trebui să fie nou deoarece prezența câmpurilor cunoscute (de exemplu, câmpuri electromagnetice) peste tot în Univers ar influența prea mult comportamentul materiei și ar duce la efecte care ar fi fost descoperite cu mult timp în urmă. În plus, câmpurile cunoscute sunt astfel încât energia lor nu are proprietățile energiei întunecate enumerate mai sus.

Noul câmp ipotetic ar trebui să fie caracterizat de o scară de energie de ordinul a 0,002 eV. Deși aceasta este o scară foarte mică în ceea ce privește interacțiunile cunoscute, nu pare complet neplauzibil. Într-adevăr, știm deja că amploarea diferitelor interacțiuni variază foarte mult. Astfel, scara menționată a interacțiunilor puternice (200 MeV) este de 10 19 ori mai mică decât scara forțelor gravitaționale. O astfel de diferență gigantică, desigur, necesită o explicație în sine, dar aceasta este o problemă separată. În orice caz, existența unor scări energetice diferite în natură este un fapt, iar introducerea unei noi scari mici nu pare a fi un obstacol de netrecut.

Noul domeniu, în general, se schimbă în timpul evoluției Universului. Se modifică și densitatea sa de energie. Pentru ca această schimbare să nu fie prea rapidă, cuantele noului câmp - particule noi - trebuie să aibă o masă extrem de mică; ei spun că acest domeniu ar trebui să fie ușor.

În cele din urmă, un câmp nou este o forță nouă (la fel cum câmpul gravitațional corespunde gravitațional, iar câmpul electromagnetic corespunde forțelor electrice și magnetice). Un câmp luminos cu masă extrem de mică este o forță cu rază lungă de acțiune similară gravitației. Pentru a nu exista contradicții cu experimentele care testează teoria generală a relativității, interacțiunea acestui câmp cu materia obișnuită ar trebui să fie foarte slabă, mai slabă decât cea gravitațională.

Toate aceste proprietăți nu par atractive pentru un teoretician, dar pot fi tolerate. Este important ca ipoteza unui câmp nou, cel puțin în principiu, să permită verificarea experimentală - cu ajutorul observațiilor, este posibil să se identifice modificări ale densității energetice a câmpului în timp. Acest lucru va respinge cu siguranță ipoteza despre natura vidului energiei întunecate și, dimpotrivă, va servi ca un indiciu al existenței unui nou câmp de lumină în Univers. În plus, în viitor putem spera să descoperim eterogenitatea distribuției energiei întunecate în spațiu. Aceasta ar fi dovada definitivă că energia întunecată este o nouă energie de câmp și nu orice altceva.

Pe de altă parte, astăzi nu există modalități vizibile de a înregistra un nou câmp de lumină în experimente de laborator, acceleratoare etc. Motivul este interacțiunea extrem de slabă a acestui câmp cu materia. Cu toate acestea, știm încă prea puțin și, după cum se spune, nu spunem niciodată „niciodată”.

Fizicienii discută diferite tipuri câmpuri de lumină ipotetice, a căror energie ar putea acționa ca energie întunecată. În cea mai simplă versiune din punct de vedere teoretic, densitatea energetică a noului câmp scade peste orar. Pentru un domeniu de acest tip se folosește termenul „chintesență”. Cu toate acestea, nu poate fi exclusă posibilitatea inversă, atunci când densitatea de energie creştere peste orar; un câmp de acest tip se numește „fantomă”. Fantoma ar fi un domeniu foarte exotic; Nimic de genul acesta nu a fost niciodată găsit în natură. Distincția dintre chintesență și fantomă, așa cum vom discuta mai jos, este importantă din punctul de vedere al telecomenzii viitor Univers.

În cele din urmă, o altă posibilă explicație pentru energia întunecată este că într-adevăr nu există energie întunecată. Dacă relativitatea generală nu se aplică pe scalele cosmologice moderne de lungime și de timp, atunci nu este nevoie de energie întunecată.

Desigur, această viziune asupra energiei întunecate nu poate ignora faptul că relativitatea generală a fost bine testată la scări de distanțe mai mici. Prin urmare, trebuie să creați noua teorie gravitația, care s-ar transforma în teoria generală a relativității la aceste distanțe, dar ar descrie altfel evoluția Universului în stadii relativ târzii, apropiate de ale noastre. Aceasta este o sarcină dificilă, mai ales dacă luăm în considerare cerința auto-coerenței, consistența internă a teoriei. Cu toate acestea, se fac astfel de încercări, iar unele dintre ele par destul de promițătoare.

O posibilitate este de a permite constantei gravitaționale a lui Newton să varieze în spațiu și timp în funcție de anumite ecuații. Din păcate, cele mai frumoase versiuni ale teoriei care realizează această posibilitate au fost respinse de experimentele de testare a relativității generale. Dacă nu urmăriți frumusețea, atunci modelele care explică expansiunea accelerată a Universului și sunt în concordanță cu tot ceea ce se știe despre gravitație pot fi construite pe această cale. Astfel de modele, de regulă, prezic abateri de la teoria generală a relativității, care, deși mici, sunt detectabile experimental în viitor.

Să remarcăm și ideea că spațiul nostru poate avea mai mult de trei dimensiuni. În același timp, dimensiunile suplimentare la distanțe obișnuite nu se manifestă, dar la distanțe cosmologice de miliarde de ani lumină, liniile de forță ale câmpului gravitațional se pot „răspândi” în dimensiuni suplimentare, motiv pentru care gravitația nu va mai fi descrisă de legea obișnuită a lui Newton. O teorie complet satisfăcătoare care explică expansiunea accelerată a Universului în acest fel nu a fost încă construită; În modelele propuse până în prezent, această idee este implementată doar parțial. Este remarcabil, totuși, că aceste modele duc la predicțiile lor pentru experiment. Printre acestea se numără și posibilitatea de a schimba legea gravitațională a lui Newton în mic distante; corectii mici, dar detectabile la teoria generala a relativitatii in sistemul solar etc.

Deci, trăsăturile recent descoperite ale expansiunii Universului au ridicat o nouă întrebare: sunt ele cauzate de energia vidului, energia unui nou câmp luminos sau noua gravitație la distanțe extrem de mari? Studiul teoretic al acestor posibilități este în plină desfășurare, iar răspunsul, ca de obicei în fizică, trebuie să fie oferit în cele din urmă prin noi experimente.

Energia întunecată și viitorul Universului

Odată cu descoperirea energiei întunecate, ideile despre cum ar putea fi viitorul îndepărtat al Universului nostru s-au schimbat dramatic. Înainte de această descoperire, întrebarea viitorului era în mod clar asociată cu întrebarea curburii spațiului tridimensional. Dacă, așa cum mulți credeau anterior, curbura spațiului determina 70% din rata actuală de expansiune a Universului și nu ar exista energie întunecată, atunci Universul s-ar extinde fără limită, încetinind treptat. Acum este clar că viitorul este determinat de proprietățile energiei întunecate.

Deoarece acum cunoaștem puțin aceste proprietăți, nu putem încă prezice viitorul. Nu se poate decât să ia în considerare opțiuni diferite. Este greu de spus ce se întâmplă în teorii cu noua gravitație, dar alte scenarii pot fi discutate acum.

Dacă energia întunecată este constantă în timp, așa cum este cazul energiei de vid, atunci Universul va experimenta întotdeauna o expansiune accelerată. Cele mai multe galaxii se vor îndepărta în cele din urmă de ale noastre la o distanță enormă, iar Galaxia noastră, împreună cu puținii ei vecini, se va dovedi a fi o insulă în vid. Dacă energia întunecată este chintesența, atunci în viitorul îndepărtat expansiunea accelerată se poate opri și chiar poate fi înlocuită de compresie. În acest din urmă caz, Universul va reveni într-o stare cu materie fierbinte și densă, va avea loc un „Big Bang invers”, înapoi în timp.

O soartă și mai dramatică așteaptă Universul dacă energia întunecată se instalează - o fantomă, astfel încât densitatea sa de energie crește fără limită. Expansiunea Universului va deveni din ce în ce mai rapidă, se va accelera atât de mult încât galaxiile vor fi smulse din clustere, stele din galaxii, planete din sistemul solar. Se va ajunge în punctul în care electronii se vor desprinde de atomi, iar nucleele atomice se vor împărți în protoni și neutroni. Va fi, după cum se spune, un Big Rip.

Un astfel de scenariu, însă, nu pare foarte probabil. Cel mai probabil, densitatea de energie a fantomei va rămâne limitată. Dar chiar și atunci, Universul se poate confrunta cu un viitor neobișnuit. Cert este că, în multe teorii, comportamentul fantomă - o creștere a densității de energie în timp - este însoțit de instabilități ale câmpului fantomă. În acest caz, câmpul fantomă din Univers va deveni foarte neomogen, densitatea sa de energie în diferite părți ale Universului va fi diferită, unele părți se vor extinde rapid, iar unele pot experimenta colaps. Soarta galaxiei noastre va depinde de regiunea în care se încadrează.

Toate acestea, însă, se referă la viitor, îndepărtat chiar și după standardele cosmologice. În următoarele 20 de miliarde de ani, Universul va rămâne aproape la fel ca acum. Avem timp să înțelegem proprietățile energiei întunecate și, prin urmare, să prezicem mai sigur viitorul - și poate să-l influențăm.

• Modele cosmologice
  • Big bang
  • Universul lui Friedman
• Cronologia cosmologiei

Există două opțiuni pentru a explica esența energiei întunecate:

Până în prezent (2012), toate datele observaționale de încredere cunoscute nu contrazic prima ipoteză, așa că este acceptată în cosmologie ca standard. Alegerea finală între cele două opțiuni necesită măsurători de înaltă precizie ale ratei de expansiune a Universului pentru a înțelege cum se modifică această rată în timp. Rata de expansiune a Universului este descrisă de ecuația cosmologică de stare. Rezolvarea ecuației de stare a energiei întunecate este una dintre cele mai presante probleme din cosmologia observațională modernă.

Energia întunecată ar trebui să constituie, de asemenea, o parte semnificativă din așa-numita masă ascunsă a Universului.

Descoperirea energiei întunecate

Pe baza observațiilor supernovelor de tip Ia efectuate la sfârșitul anilor 1990, s-a ajuns la concluzia că expansiunea Universului se accelerează în timp. Aceste observații au fost apoi susținute de alte surse: măsurători ale CMB, lentile gravitaționale, nucleosinteză Big Bang. Toate datele obținute se încadrează bine în modelul lambda-CDM.

Supernove și universul în accelerare

Constanta cosmologică are o presiune negativă egală cu densitatea sa de energie. Motivele pentru care constanta cosmologică are o presiune negativă provin din termodinamica clasică. Cantitatea de energie conținută într-o „cutie de vid” de volum V, egal ρV, Unde ρ - densitatea energetică a constantei cosmologice. Creșterea volumului „cutiei” ( dV pozitiv) duce la creşterea acestuia energie internă, iar asta înseamnă să faci o muncă negativă. Din moment ce munca făcută printr-o modificare a volumului dV, egal pdV, Unde p- presiune, atunci p negativ și, de fapt, p = −ρ(coeficientul c², care conectează masa și energia, este egal cu 1).

Cea mai importantă problemă nerezolvată a fizicii moderne este aceea că majoritatea teoriilor câmpului cuantic, bazate pe energia vidului cuantic, prezic o valoare uriașă a constantei cosmologice - multe ordine de mărime mai mari decât ceea ce este admisibil conform conceptelor cosmologice. Formula obișnuită a teoriei câmpului cuantic pentru însumarea oscilațiilor în vid de la punctul zero ale câmpului (cu o limită la numărul de undă al modurilor de vibrație corespunzătoare lungimii Planck) oferă o densitate uriașă a energiei de vid. Această valoare, prin urmare, trebuie compensată printr-o acțiune care este aproape egală (dar nu exact egală) ca mărime, dar are semnul opus. Unele teorii ale supersimetriei (SATHISH) necesită ca constanta cosmologică să fie exact zero, ceea ce, de asemenea, nu ajută la rezolvarea problemei. Aceasta este esența „problemei constantei cosmologice”, cea mai dificilă problemă de „reglare fină” din fizica modernă: nu s-a găsit nicio modalitate prin care să derive din fizica particulelor valoarea extrem de mică a constantei cosmologice definită în cosmologie. Unii fizicieni, inclusiv Steven Weinberg, cred așa-numitul. „Principiul antropic” este cea mai bună explicație pentru echilibrul fin observat al energiei în vidul cuantic.

În ciuda acestor probleme, constanta cosmologică este în multe privințe cea mai parcimonioasă soluție la problema unui Univers care se accelerează. O singură valoare numerică explică multe observații. Prin urmare, actualul model cosmologic general acceptat (modelul lambda-CDM) include constanta cosmologică ca element esențial.

Chintesenţă

O abordare alternativă a fost propusă în 1987 de fizicianul teoretician german Christoph Wetterich. Wetterich a pornit de la presupunerea că energia întunecată este un fel de excitare asemănătoare unei particule a unui anumit câmp scalar dinamic numit chintesență. Diferența față de constanta cosmologică este că densitatea chintesenței poate varia în spațiu și timp. Pentru a preveni chintesența să „asambleze” și să formeze structuri la scară mare, urmând exemplul materiei obișnuite (stelele etc.), aceasta trebuie să fie foarte ușoară, adică să aibă o lungime de undă Compton mare.

Nicio dovadă a existenței chintesenței nu a fost încă descoperită, dar o astfel de existență nu poate fi exclusă. Ipoteza chintesenței prezice o accelerare ceva mai lentă a Universului în comparație cu ipoteza constantei cosmologice. Unii oameni de știință cred că cele mai bune dovezi pentru chintesență ar proveni din încălcări ale principiului de echivalență al lui Einstein și variații ale constantelor fundamentale în spațiu sau timp. Existența câmpurilor scalare este prezisă de modelul standard și teoria corzilor, dar pune o problemă similară cu varianta constantei cosmologice: teoria renormalizării prezice că câmpurile scalare ar trebui să dobândească o masă semnificativă.

Problema coincidenței cosmice ridică întrebarea de ce accelerarea Universului a început într-un anumit moment în timp. Dacă accelerația în Univers ar începe înainte de acest moment, stelele și galaxiile pur și simplu nu ar avea timp să se formeze, iar viața nu ar avea șanse să apară, cel puțin în forma pe care o cunoaștem. Susținătorii „principiului antropic” consideră că acest fapt este cel mai bun argument în favoarea construcțiilor lor. Cu toate acestea, multe modele de chintesență includ așa-numitul „comportament de urmărire”, care rezolvă această problemă. În aceste modele, câmpul de chintesență are o densitate care se adaptează la densitatea radiației (fără a ajunge la ea) până în momentul dezvoltării Big Bang-ului, când se stabilește un echilibru al materiei și radiațiilor. După acest punct, chintesența începe să se comporte ca „energie întunecată” căutată și în cele din urmă domină Universul. Această dezvoltare stabilește în mod natural nivelurile de energie întunecată scăzute.

Pe de altă parte, energia întunecată se poate disipa în timp sau chiar își poate schimba efectul respingător într-unul atractiv. În acest caz, gravitația va prevala și va conduce Universul la „Big Crunch”. Unele scenarii presupun un „model ciclic” al Universului. Deși aceste ipoteze nu au fost încă confirmate prin observații, ele nu sunt complet respinse. Măsurătorile precise ale vitezei de accelerație trebuie să joace un rol decisiv în stabilirea destinului final al Universului (dezvoltându-se conform teoriei Big Bang).

Expansiunea accelerată a Universului a fost descoperită în 1998 din observațiile supernovelor de tip Ia. Pentru această descoperire, Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt și Adam Riess au primit în 2006 Premiul Shao pentru Astronomie și Premiul Nobel pentru Fizică în 2011.

Vezi de asemenea

Note

Legături

• Energia întunecată lângă noi - o broșură populară, A. D. Chernina, SAI MSU.
• A.D. Chernin: vid fizic și antigravitație cosmică
• Documentar - Dark Matter, Dark Energy (2008)
• A.D. Cernin. Energie întunecată și antigravitație universală. // UFN, 178 , 267 (2008).
• V. N. Lukash, V. A. Rubakov. Energia întunecată: mituri și realitate. // UFN, 178 , 301 (2008). (Comentariu la articolul lui A. D. Chernin)
• Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg, Phantom Energy și Cosmic Doomsday (astro-ph:0302506)
• Mark Trodden, Jonathan Fan. Lumi întunecate

Fundația Wikimedia.

2010.

Vedeți ce înseamnă „Energia întunecată” în alte dicționare: ENERGIE ÎNTUNECĂ - (TE) energie ciudată a lumii non-barionice (vezi), prezentă în Universul nostru și manifestată sub formă de antigravitație, capacitatea de a „împinge” din materia obișnuită. Ca urmare a numeroaselor (500.000 din 1995 până în 2005) observații de la...