Космическият триъгълник

Разпределението на съвкупната маса и енергия на Вселената по трите независими пространствени измерения неизбежно води до това голяма част от материята на Вселената да остава невидима за нас поради особеностите на структурния ѝ строеж.

Откакто е доказано съществуването на тъмна материя, знаем, че голяма част от веществото във Вселената за нас е невидима и че за самото съществуване на скритата материя можем да съдим само по неизбежната гравитационна проява на нейното присъствие.

Един от тези ефекти е разширението на Вселената: скоростта на разширение зависи от плътността на веществото в нея.

Доскоро астрофизиците имаха единствено средство за оценката на плътността на материята (както видима, така и скрита) във Вселената – чрез пряко измерване на скоростта на отдалечаването на галактиките с доста приблизително изчисляване на сегашната плътност на веществото във Вселената по предполагаемата ѝ изходна маса, поделена на пространствения обем, който е успяло да заеме разбягващото се вещество от момента на Големия взрив.

Традиционно ставало дума за избор между два модела на затворена Вселена, в която има достатъчно материя, за да се замени с времето разширението със свиване, или отворена Вселена, която така и ще се разширява до безкрайност.

В края на 90-те години астрофизиците успели да свържат в едно три метода за наблюдение на веществото във Вселената – три микроскопа, ако може така да се нарекат, позволяващи внимателно да се разгледат процесите в космическите дълбини. Едни от тези методи били съвсем нови, други – усъвършенствани стари.

Главното е, че всеки от тези три метода позволява да се даде достатъчно пълна картина на строежа на Вселената и да се определят собствени предели на допустимото. И трите метода дали съвсем неочаквана картина: никой не си и представял, че Вселената се държи именно по такъв начин.

Първият „микроскоп“ измерва рентгеновото лъчение на междугалактичния газ в галактичните купове. Идеята е такава, че колкото по-масивен е купът, толкова повече междугалактичен газ „засмуква“ и толкова по-горещ ще бъде този газ.

Тъй като основната маса на веществото на Вселената (видимо и невидимо) е съсредоточена именно в галактичните купове, такава техника позволява да се оцени общата плътност на материята във Вселената. Резултатите от такива оценки показали: съвкупната маса на вселенската материя е около 20-30% от масата, необходима за прехода на Вселената от разширяване към свиване. Тоест според тези оценки ние живеем в отворена Вселена.

Втори „микроскоп“ станали измерванията на реликтовия микровълнов фон. Пълната еднородност и изотропност на този фон сочат, че Вселената се явява съвършено „плоска“ в геометрично понятие, макар данните от изследванията на рентгеновите лъчи, изглежда, да показват, че масата на вселенската материя не е достатъчна, за да „изглади“ пространството до съвсем плоско състояние.

С други думи, двата първи „микроскопа“ показват противоположни резултати (ако не се предположи, че освен видима и скрита материя във Вселената съществуват и други форми на материя), от което следва едно от две неща: или ни се открива непълна картина на явленията във вселенски мащаб, или нашите основополагащи хипотези и теории не са верни.

И накрая, най-новият „микроскоп“, е метод за пряко измерване на скоростта на разширение на Вселената. Идеята е такава: Изучавайки излъчването на галактиките, отдалечени от нас на 10 милиарда светлинни години, ние виждаме Вселената такава, каквато е била тя преди 10 млрд. години. По-специално ние виждаме с каква скорост се е разширявала тя в това време.

Сравнявайки тази скорост с текущата скорост на разширение на Вселената, ние можем да определим колко е намаляла скоростта на разширение за изминалите 10 млрд. години и по този показател да изчислим съвкупната маса на материята във Вселената.

Астрономите дълго се борили с т.нар. параметър на забавянето, без знанието на който е невъзможно да се определи истинското разстояние до отдалечен космически обект, какъвто се явява съседната галактика. И тук се притекъл на помощ новият инструмент за измерване – с няколко типа свръхнови звезди (свръхмощни взривове при смъртта на масивни звезди).

Един от тези типове свръхнови се нарича свръхнова от тип Ia – такъв взрив протича в двойни звездни системи, където едната от звездите представлява бяло джудже и „привлича“ върху себе си веществото на втората, гореща звезда. След натрупване върху повърхността на бялото джудже на критична маса „откраднато“ вещество започва верижна термоядрена реакция и целият този наносен слой се взривява подобно на гигантска водородна бомба.

Тъй като критичната маса и мощността на такъв взрив на повърхността на всяка свръхнова от тип Ia не се отличават един от друг, яркостта на всяка свръхнова от тип Ia практически е неизменна, това е и ключ към работата на третия „микроскоп“. Като търсят в далечна галактика свръхнова от тип Ia и сравнят наблюдаваната яркост на взрива с изчислената, астрофизиците могат да определят реалното разстояние до галактиката.

И тук резултатите били просто зашеметяващи: разширението на Вселената не се забавя, а се ускорява! Това явление е невъзможно да се обясни, ако се остане в рамките на предположенията, че Вселената се състои само от видима и скрита материя, тъй като в този случай гравитационното привличане неизбежно трябва да води до забавяне на темповете на разбягване на галактиките.

Единствено възможното обяснение било, че във Вселената съществува нещо, някаква субстанция на битието, което до този момент е излизало извън пределите на разбирането на традиционната научна мисъл. Това е един вид антигравитация – сила на взаимно отблъскване на материята, действаща на космически разстояния (и действието ѝ се усилва с нарастване на разстоянието, с което това поле принципно се отличава от всички други силови полета, като се започне с обичайното гравитационно, което намалява с разстоянието).

Астрофизиците се заловили да обозначават природата на тази непостижима все още сила с термина тъмна енергия.

И така, трите описани „микроскопа“ ни дават такава картина на устройството на Вселената, от която следва, че обичайното вещество във Вселената не е достатъчно, за да я „изглади“ в пространството, но този дефицит с излишък се покрива от тъмна енергия с неизвестна ни природа, под въздействието на която Вселената се разширява с ускоряващи се темпове и ще се разширява до безкрайност, независимо от това, че геометрията на Вселената като цяло се е изправила.

Ако погледнем на нещата именно така, привидната противоречивост на картината, която наблюдаваме посредством споменатите „микроскопи“, се отстранява и ние виждаме пред себе си това, което е прието да се нарича космически триъгълник – схематично представен на рисунката горе. Вътре в триъгълника с различни щрихи са запълнени „теоретично“ допускаемите области спрямо резултатите от наблюдението на всеки от трите „микроскопа“, а реалната Вселена се намира в точката на взаимното пресичане на всичките три области.

От диаграмата се вижда, че около една трета от енергията на Вселената пребивава в материално състояние (във формата на наблюдавана и скрита материя), а около две трети – във формата на тъмна енергия. И отново виждаме колко малък по мащаби е нашият всекидневен свят на фона на устройството на Вселената като цяло.

Възможно (и най-разпространено сред астрофизиците) обяснение на произхода на тъмната енергия се състои в това, че тя е физическа проява на космологичната константа, предложена от Алберт Айнщайн в началото на ХХ век.

Но хипотезата за обяснение на тъмната енергия с физическа проява на космологичната константа днес има и противници. Те издигат хипотезата за съществуването на квинтесенция – неизвестна нова сила, чиито свойства все още не са проучени. Самото ѝ название в превод от гръцки означава „петият елемент“ – в допълнение към четирите елемента, или стихии, от които според представите на древногръцките философи се е състоял светът: земя, огън, въздух и вода.

Коя от двете хипотези в бъдеще ще бъде потвърдена с факти, ще стане ясно едва след като учените разработят нови експерименти и методи за измерване.

Елементи.ру