Тъмната енергия срещу Алберт Айнщайн: засега гениалният учен печели

За да обяснят разширяването на Вселената на учените им се наложи да добавят към космологичния модел мистериозната тъмна енергия. Нейната природа все още е изключително трудна за обяснение и за свързване с теорията на Алберт Айнщайн за гравитацията, но учените продължават да търсят обяснение на тази мистерия, явяваща се една от най-загадъчните във Вселената.

Десетилетия наред теорията за гравитацията, която произлиза от общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, обяснява всичко в космоса, от необичайната орбита на Меркурий до поведението на черните дупки. Но в началото на 60-те години на миналия век едно откритие постави под съмнение универсалността на общата теория на относителността и теорията на гравитацията.

По това време изследователите откриха за първи път, че поведението на далечни галактики не съвпада с предвижданията на теорията за гравитацията. Изкривяванията на пространство-времето от далечни клъстери и звездни системи се оказаха много по-силни от изчислените въз основа на наблюденията маси на такива обекти.

По-късно, в края на 90-те години, изследователите откриха друг необичаен факт. Оказа се, че скоростта на разширяване на Вселената се увеличава с времето. Този ефект постави друго предизвикателство пред теорията на Алберт Айнщайн, тъй като според нея гравитационните ефекти на материята трябва да забавят разширяването на Вселената, а не да го ускоряват. Съвременният космологичен модел – моделът ΛCDM – намери отговори на тези въпроси, но учените не се отказват от надеждата да оспорят гения на 20 век.

Защо учените смятат, че Вселената се разширява с ускорена скорост?

Ускореното разширяване на Вселената беше открито едновременно през 1998 г. от два екипа, работещи независимо един от друг: Проектът за космологията на свръхновите и Екипът за търсене на свръхнови High Z. И двете изследователски групи изучавали ускоряването на разширяването на Вселената чрез анализиране на далечни звездни експлозии.

Свръхновите от тип Ia имат почти еднаква стандартна светимост. Чрез наблюдение на яркостта на такива обекти може да се определи колко далеч са те. Освен това, когато Вселената се разширява, светлината от далечни обекти се измества към червената страна на спектъра. Чрез измерване на червеното отместване може да се определи колко се е разширила Вселената след появата на свръхновата.

По време на тези експерименти астрофизиците били сигурни, че Вселената трябва да се разширява със забавяне, след което процесът трябва или да спре, или да премине към свиване. Но неочакваният резултат, до който двете групи учени стигнали независимо една от друга, бил, че Вселената се разширява с ускоряваща се скорост.

Разширяването на Вселената по-късно беше потвърдено с други методи. Измерването на космологичното микровълново фоново лъчение ( или реликтовото лъчение, показващо следите от Големия взрив), ефектите от гравитационните лещи и анализът на барионните акустични трептения потвърждават хипотезата за разширяването на Вселената.

През 2007 г. и двата екипа, открили ефекта от разширяването на Вселената, бяха удостоени с наградата Грубер за космология, а през 2011 г. трима от участниците получиха Нобелова награда за физика.

Как се обяснява ускореното разширяване?

За да обяснят резултатите от наблюденията (разширяването на Вселената и по-силното изкривяване на пространство-времето от далечните галактики), учените въведоха два нови модела – тъмна материя и тъмна енергия

Тъмната материя е хипотетична форма на материя, която според учените съставлява приблизително 85% от материята във Вселената. Нарича се тъмна, защото не взаимодейства по никакъв начин с електромагнитното поле. С други думи, такава материя не отразява, не поглъща и не излъчва светлина и други електромагнитни вълни. Тя обаче има собствена маса, а от там и гравитационно въздействие. Добавянето на тъмната материя към космологичния модел помогна да се обясни по-силната гравитация на далечните галактики.

Тъмната енергия е хипотетична форма на енергия и за разлика от тъмната материя, за нея засега се знае още по-малко. Смята се, че тъмната енергия е много хомогенна, не много плътна и не може да взаимодейства с нито една от фундаменталните сили, различни от гравитацията. Свързват тази енергия с енергията на вакуума. Ако приемем, че с разширяването на Вселената и увеличаването на свободното пространство тази енергия се увеличава, тогава може да се обясни преходът от равномерно към ускорено разширение.

Въпреки че хипотезата за тъмната енергия описва добре процесите, наблюдавани във Вселената, самото й съществуване и взаимодействие само с гравитационното поле е трудно да се свърже с общата теория на относителността и теорията на Айнщайн за гравитацията.

Как да се провери теорията?

Някои учени смятат, че ако теорията на гравитацията не може да обясни тъмната енергия, то тогава може би тя е непълна и трябва да се добави допълнителен параметър или променлива към уравнението, което ще свърже всички наблюдения заедно. За да проверят тази хипотеза, учените търсят в миналото признаци за нарушаване на теорията за гравитацията.

Едно от последните изследвания в тази насока е било осъществено от международен екип с помощта на 4 – метровия телескоп Víctor M. Blanco, разположен в Междуамериканската обсерватория Cerro Tololo в Чили. Резултатите от изследването са представени на Международната конференция по физика на елементарните частици и космология (COSMO’22, състояла се ), състояла се през месец август т.г. в Рио де Жанейро.

Участниците в изследването са търсили доказателства дали силата на гравитацията се е променяла през цялата история на Вселената или само в далечното минало. За изследване те са използвали освен основния телескоп Víctor M. Blanco и данни от сателита Планк на Европейската космическа агенция.

Астрофизиците са изследвали изображения на галактики за по-фини изкривявания, дължащи се на изкривяването на пространството от тъмната материя, тоест ефектът, известен като „слаби гравитационни лещи“. Силата на гравитацията определя размера и разпределението на структурите на тъмната материя, а размерът и разпределението от своя страна определят колко изкривени ни изглеждат тези галактики.

Чрез измерване на всички тези параметри може да се определи силата на гравитацията в наблюдаваните далечни галактики. И тъй като на светлината от тях и отнема милиони и милиарди години, за да достигне до нас, по същество учените изследват как се е държала гравитацията в далечното минало.

Изследователите са съобщили, че вече са изследвали гравитационните сили и форми в повече от 100 милиона галактики, но във всички експерименти наблюденията са напълно в съответствие с теорията на Айнщайн. Така че природата на тъмната енергия засега остава загадка.

Какво следва?

Теорията на Айнщайн засега остава в сила, но изследователите продължават да тестват нейната правдоподобност. Нов опит да се обясни природата на тъмната енергия ще бъде направен от две спътникови мисии.

През 2023 г. Европейската космическа агенция планира да изстреля космическия телескоп „Евклид“. Неговите прибори ще измерват червените отмествания на галактики, разположени на различни разстояния от Земята, и ще изследват връзката между червеното отместване и разстоянието. Учените очакват, че “Евклид” ще може „да погледне“ 8 милиарда години назад. С помощта на свръхпрецизни измервания той ще се опита да „разбере“ какво се е случвало с гравитацията, тъмната материя и тъмната енергия в далечното минало на Вселената.

Подобна мисия планира да осъществи и НАСА, която възнамерява през 2027 г. да изведе на околоземна орбита космическия телекоп Nancy Grace Roman. Изследователи предполагат, че той ще може да изучава галактиките, разположени на 11 милиарда светлинни години и така ще може да се изучи най-ранната Вселена.