Невидимата страна на Вселената

Човечеството е успяло да надникне в най-далечните ъгълчета на Вселената. Но досега сме съумели да опознаем едва малка нейна част и за да открием другата страна на света, трябва да намерим начин да я видим.

В зората на космологията – наука, изучаваща Вселената, е било прието да се смята, че учените често бъркат в детайлите, но никога не се съмняват глобално.

В наше време грешките в изчисленията са сведени до минимум, но пък съмненията са нараснали до размерите на изучавания обект.

Десетилетия космолозите са строили нови телескопи, измисляли са хитри детектори, задействали са суперкомпютри и в резултат с увереност могат да твърдят, че Вселената се е родила преди 13,820 млн. години от мъничко мехурче в пространството, по размер сравнимо с атом.

За първи път учените с точност до десета от процента са създали карта на космическия микровълнов фон – реликтово лъчение, възникнало 380 000 години след големия взрив.

„Досега е неизвестно що е то тъмна енергия. Тъмната енергия още е голяма загадка.“

Космолозите също са стигнали до извода, че видимите от нас звезди и галактики са само 5% от състава на наблюдаваната Вселена. По-голямата част се пада на невидимите тъмна материя (27%) и тъмна енергия (68%).

По предложение на учените тъмната материя формира структурата на Вселената, свързвайки ведно разхвърляните по различните ѝ ъгълчета концентрати материя, макар че до сега е неизвестно какво е самата тъмна материя.

Тъмната енергия е още по-голяма загадка, с този термин е прието да се обозначава невидима сила, отговорна за постоянно ускоряващото се разширение на Вселената.

Първи намек за съществуването на всепроникващата тъмна материя са станали изследванията на швейцарския астроном Фриц Цвики. През 30-те години на ХХ век в обсерваторията Маунт Уилсън в Южна Калифорния Цвики измерил скоростта на галактиките в купа Косите на Вероника, въртящи се около центъра на купа.

Той стигнал до извода, че галактиките трябва отдавна да се разлетели в космическото пространство, ако не ги задържа някаква невидима за човешките очи материя. Купът Косите на Вероника същесттвува като едно зяло вече милиарди години, от което Цвики заключил, че невидима „тъмна материя запълва Вселената с плътност, в пъти превъзхождаща нейния видим събрат“.

Следващите изследвания показали, че гравитационното поле на тъмната материя е изиграло решаваща роля в образуването на галактики на първите етапи от съществуването на Вселената – именно силата на привличане е събрала ведно облака „строителен материал“, жизненонеобходим за раждането на първите звезди.

Тъмната материя не просто маскирала се обикновена барионна (състояща се от протони и неутрони) материя – в космическото пространство тя е прекалено малко. Безспорно има множество небесни тела, които не излъчват нищо – черни дупки, бледи звезди джуджета, студени газови купове и планети скитници, изхвърлени по някакви причини извън пределите на звездните системи.

Но тяхната сумарна маса не може повече от петкратно да превишава масата на обичайната видима материя. Това дава основание на учените да смятат, че тъмната материя се състои от някакви по-екзотични частици, още ненаблюдавани в експерименти.

Учените, занимаващи се с построяването на суперсиметричната квантова теория, предположили съществуването на различни частици, които напълно може да подхождат за ролята на заветната тъмна материя.

Потвърждението на това, колко слабо тъмната материя взаимодейства не само с барионната, но и със самата себе си, е открито от космолозите на три милиарда светлинни години от Земята в купа Куршум, който представлява два сблъскващи се галактични купа.

Астрономите установили масивен облак горещ газ в центъра на купа, които обикновено се образуват при сблъсък на облаци барионна материя. За по-нататъшно изучаване изследователите създали карта на гравитационното поле на купа Куршум и идентифицирали две области с висока концентрация на масата отделно от зоната на сблъсък – по една във всяка от сблъскващите се галактични купове.

Наблюденията показали: за разлика от барионната материя, бурно реагираща в момента на непосредствен контакт, техните по-тежки товари от тъмна материя невъзмутимо подминават мястото на катастрофата цели и съхранени, без да взаимодействат с царящия наоколо хаос.

Конструираните от учените детектори за търсене на тъмна материя са невероятно изящни от инженерна гледна точка – тук по нещо те напомнят яйцето на Фаберже, което спира дъха на ювелирните майстори дори от един поглед.

Един от тези детектори – магнитният алфа-спектрометър със стойност два милиарда долара, монтиран на Международната космическа станция – събира данни за възможни сблъсъци на частици тъмна материя.

Повечето детектори са насочени за търсене на следи от взаимодействия между частиците тъмна и барионна материя и опити да се фиксират те се правят и на Земята, а по-точно под земята – за минимизиране на смущенията, внасяни от идващите от космическото пространство високоенергийни частици космически лъчи, се налага изследователските комплекси да се разполагат дълбоко под земната повърхност.

Детекторите представляват масиви кристали, охладени до свръхниски температури, други изглеждат като огромни басейни, запълнени с течен ксенон или аргон, заобиколени от датчици и опаковани в многослойна „луковица“ – щит от най-различни (от найлон до олово и мед) екраниращи материали.

Интересен факт: прясно придобитото олово притежава малка радиоактивност, което е недопустимо при строителството на високочувствителни детектори. В експериментите се използват претопени оловни слитъци, извадени от потънали кораби от времената на Римската империя. За две хилядолетия, които металът е престоял на дъното, неговата радиоактивност значително се е снижила.

Струва ви се, че по повод тъмната материя има много въпроси? А те са нищо в сравнение с нашите представи за тъмната енергия! Лауреатът на Нобелова награда за физика за 1979 година Стивън Уайнбърг я смята за „централен проблем на съвременната физика“.

Астрофизикът Майкъл Търнър въвежда термина тъмна енергия, след като две групи астрономи през 1988 година обявяват откриването на ускореното разширение на Вселената. Те стигнали до този извод в процеса на изучаване на свръхнови звезди от типа на Ia, притежаващи еднаква светимост, благодарение на което могат да се използват за измерване на разстоянието до далечни галактики.

Гравитационното взаимодействие между галактиките в техните купове трябва да ограничава разширението на Вселената и астрономите очаквали да видят забавяне на скоростта на изменението на разстоянието между звездните клъстери. Представете си тяхното учудване, когато изяснили, че е точно обратното – Вселената се разширява и скоростта на разширение с времето нараства. А този процес е започнал, както смятат учените, преди пет-шест милиарда години.

В последните години астрономите са заети с картиране на Вселената с безпрецедентно висока точност. Това ще помогне да се получи повече информация за точния момент на възникване на тъмната енергия и да се определи остава ли тя постоянна, или се изменя с времето.

Но възможностите на телескопите и цифровите детектори не са безгранични, а това значи, че да се изведе по-точна космологична теория, е необходимо да се разработят и построят нови инструменти – принципът остава неизменен от момента на зараждането на астрономията.

За построяване на тази карта са пуснати няколко проекта от рода на BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), в рамките на който с 2,5-метров телескоп в американската обсерватория Апачи Пойнт се води измерване на разстоянието в Космоса със свръхвисока (до процент) точност.

Проектът „Обзор тъмна енергия“ (DES, Dark Energy Survey) се занимава със сбор и изучаване на информацията за 300 милиона (!) галактики, наблюденията се водят на 4-метровия телескоп „Виктор Бланко“, разположен в чилийските Анди. ESA планира през 2020 г. да пусне орбиталния телескоп „Евклид“, който ще  позволи да се надникне в миналото и да се разбере как се е променяла динамиката на разширението на Вселената.

А с пускането на Големия обзорен телескоп (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), който се строи на няколко километра от телескопа „Бланко“, космолозите ще получат огромни масиви уникални данни. Сравнително малък (диаметър на огледалото 8,4 метра), но достатъчно бърз при снимки, LSST ще бъде снабден със свръхсъвременна цифрова камера от 3,2 гигапиксела, позволяваща наведнъж да се обхване значителна част от небето.

С подобен арсенал технически сложни инструменти учените се надяват да измерят скоростта на разширение на Вселената, да изяснят дали тя се е променила от момента на възникването на тъмната енергия и да разберат какво е мястото на последната в устройството на света.

Това ще позволи да се направят изводи нито повече, нито по-малко за това, което чака Вселената в бъдеще, и как да се продължи нейното изучаване. Ако тя се разширява с все по-нарастваща скорост, намирайки се изцяло във властта на тъмната енергия, повечето галактики ще се окажа изхвърлени от полезрението, като не оставят на астрономите на бъдещето нито един обект за наблюдение освен близките съседи и празната космическа бездна.

За да разберем природата на тъмната енергия, ще ни се наложи да преосмислим фундаменталните си представи за самото пространство. Дълго време космическите простори между звездите и планетите се смятали за абсолютно празни, макар още Исак Нютон да е казвал, че му е много трудно да си представи как гравитацията може да задържа земята, въртяща се по орбита около Слънцето, ако между тях няма нищо освен вакуум.

През ХХ век квантовата теория на полето показала, че всъщност пространството не се явява празно, а напротив – навсякъде е пронизано от квантови полета. Основните „строителни материали“, от които се състои материята – протони, електрони и други частици, – всъщност са само смущения на квантовите полета. Когато енергията на полето се намира на минимално развитие, пространството изглежда празно. Но ако полето е смутено, всичко наоколо оживява, изпълва се с видима материя и енергия.

Математикът Лучано Бой сравнява пространството с повърхността на водата в алпийските езера – тя става забележима, когато я връхлита лек бриз, покривайки езерата с треперещи вълни. „Празното пространство всъщност не е празно – казва американският физик Джон Арчибалд Уилър. – В него се таи истинската физика, пълна с изненади и неочакваности.“

Тъмната  материя може да потвърди дълбоката пророческа сила на думите на Уилър. В стремежа да разберат механизмите, отговорни за непрекъснатото „раздуване“ на Вселената – което, както се оказало, продължава и да се ускорява, – учените се основават на Айнщайновата обща теория на относителността, появила се преди сто години.

Тя отлично работи на обекти с голям мащаб, но се препъва на микрониво, където топката се управлява от квантовата теория и където се крие загадката на постоянно ускоряващото се разширение на космическото пространство. За обяснение на тъмната енергия може да послужи нещо принципно ново – от рода на квантова теория на пространството и гравитацията.

Съвременната наука се блъска над привидно простата задача: колко енергия – тъмна или друга – се съдържа в зададената ограничена област от пространството? Ако в изчисленията се положим на квантовата теория, се получава невъобразимо голяма стойност.

А ако привлечем към проблема астрономите, тяхната оценка, основана на наблюденията на тъмната енергия, ще се окаже несъизмерно малка. Разликата между двете числа шокира – 10¹²¹. Това е единица със 121 нули – повече от количеството звезди в наблюдаваната Вселена и всички песъчинки на нашата планета.

Това е най-съществената асиметрия в историята на науката, предизвикана от несъгласуваността на теориите и фактическите наблюдения. Очевидно пропускаме някое фундаментално важно свойство на пространството, а значи и всичко, което ни заобикаля и се явява негова част – галактики, звезди, планети и нас самите.

Само предстои учените да изяснят колко голяма е празнината в нашите знания.