Нови инструменти и технологии може да разрешат мистерията на тъмната енергия

За астрономите няма по-добро чувство от постигането на „първа светлина“ с нов инструмент или телескоп. Това е кулминацията на години на подготовка и изграждане на нов хардуер, който за първи път събира светлинни частици от астрономически обект.

На 22 октомври спектроскопичният инструмент за тъмна енергия (DESI) на телескопа Mayall в Аризона, САЩ, постигна „първа светлина“. Това е огромен скок в способността да се измерват разстоянията на галактиката – което позволява нова ера на картографиране на структурите във Вселената.

Както показва името му, DESI може би е от ключово значение за решаване на един от най-големите въпроси във физиката: каква е тайнствената сила, наречена „тъмна енергия“, която съставлява 70% от Вселената?

Галактиките живеят заедно в групи от няколко до десетки. Има и струпвания от няколко стотици до няколко хиляди галактики, образуващи супер-клъстери. Тази йерархия на Вселената е известна от първите карти получени от пионерното проучване на Центъра за астрофизика (CfA) Redshift. Тези поразителни изображения дадоха първи поглед на мащабните структури във Вселената, някои обхващащи стотици милиони светлинни години.

Проучването на CfA е било доста трудоемко, изграждащо картата на Вселената галактика по галактика. Това включва измерване на спектъра на светлината в галактиката – разделяне на светлината по дължина на вълната или по цвят – и идентифициране на отпечатъците на някои химически елементи (най-вече водород, азот и кислород).

Тези химични подписи се пренасочват систематично към по-дълги дължини на вълната, дължащи се на разширяването на Вселената. Това „червено изместване“ беше открито за първи път от астронома Весто Слипър и породи сега известния Закон на Хъбъл – наблюдението, че по-далечните галактики изглежда се отдалечават с по-бързи темпове. Това означава, че галактиките, които са наблизо, изглежда се отдалечават сравнително по-бавно в сравнение с по-далечните. Следователно измерването на червеното изместване на дадена галактика е начин за измерване на разстоянието до нея.

Най-важното е, че точната връзка между червеното изместване и разстоянието зависи от историята на разширяване на Вселената, която може да се изчисли теоретично с помощта на теория за гравитацията и предположенията за материята и енергийната плътност на Вселената.

Всички тези предположения в крайна сметка бяха тествани в началото на века с комбинацията от нови наблюдения на Вселената, включително нови триизмерни карти от по-големи червени измествания. По-специално, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) е първият специализиран телескоп за червено изместване, който измерва над милион червени измествания на галактиката, като картографира широкомащабната структура във Вселената до безпрецедентни детайли.

SDSS картите включват стотици супер-клъстери и нишки и помогнаха да се направи неочаквано откритие, засягащо тъмната енергия. Те показаха, че плътността на материята във Вселената е много по-малка от очакваната от космическия микровълнов фон, който е светлината, останала от Големия взрив. Това означаваше, че трябва да има неизвестна субстанция, наречена тъмна енергия, която да ускорява разширяването на Вселената и да става все по-лишена от материя.

Комбинацията от всички тези наблюдения обяви нова ера на космологичното разбиране за Вселена, състояща се от 30% материя и 70% тъмна енергия. Но въпреки факта, че повечето физици сега са приели, че съществува такова нещо като тъмна енергия, никой все още не знае точната му форма.

Предположенията са, че съществуват няколко възможности. Много изследователи смятат, че енергията на вакуума просто има някаква определена стойност, наречена „космологична константа“. Други опции включват възможността огромната успешна теория на гравитацията на Айнщайн да е непълна, когато се прилага в огромния мащаб на цялата Вселена.

Нови инструменти като DESI, ще помогнат да се направи следващата стъпка в разрешаването на мистерията. Той ще измерва десетки милиони галактически червени измествания, обхващащи огромен обем от Вселената, стигащ до десет милиарда светлинни години от Земята. Такава удивителна, подробна карта трябва да може да отговори на няколко ключови въпроса относно тъмната енергия и създаването на широкомащабните структури във Вселената.

Например, трябва да може да каже дали тъмната енергия е просто космологична константа. За целта тя ще измерва съотношението на налягане, което тъмната енергия оказва върху Вселената, към енергията на единица обем. Ако тъмната енергия е космологична константа, това съотношение трябва да бъде постоянно, както в космическото време, така и в местоположението. При други обяснения обаче това съотношение би варирало. Всяко указание, че не е константа, би било революционно и би предизвикало интензивна теоретична работа.

DESI също трябва да може да ограничи и дори да убие много теории за модифицирана гравитация, като евентуално ще предостави категорично потвърждение на теорията на общата относителност на Айнщайн в най-големите мащаби. Или обратното – и отново това би предизвикало революция в теоретичната физика.

Друга важна теория, която ще бъде тествана с DESI, е Инфлацията, която предвижда, че малки случайни квантови колебания на енергийната плътност в първичната Вселена са били експоненциално разширени през кратък период на интензивен растеж, за да се превърнат в семената на мащабните структури, които виждаме днес.

DESI е само една от няколкото мисии и експерименти от следващо поколение, за изследване на тъмна енергия, идващи през следващото десетилетие, така че със сигурност има причина за оптимизъм, че скоро може да бъде разрешена тайната на тъмната енергия. Нови сателитни мисии като Евклид и масивни наземни обсерватории като Големия телескоп за синоптични изследвания също ще предлагат прозрения.

Ще има и други инструменти за анализ на червено изместване, подобни на DESI, включително 4MOST в Европейската южна обсерватория. Заедно те ще осигурят анализ и регистриране на стотици милиони червени измествания по цялото небе, водещи до невъобразима карта на Космоса.