Тъмната енергия накрая ще разкъса на парчета нашия свят

Откриването на тъмната енергия в началото практически е хвърлило учените в недоумение.

Физици-теоретици започнали да издигат хипотези за интерпретацията и природата на тъмната енергия.

Някои от тях са: тъмната енергия е енергия на квантовия вакуум; хипотезата за квинтесенция на немския физик Кристоф Ветерих; тъмната енергия е космологична константа с отрицателно налягане и вероятно дори притежава антигравитационен ефект…

Създадената преди две години колаборация на учени от шест страни – САЩ, Англия, Германия, Швейцария, Испания и Бразилия, (DES) включва няколкостотин учени от над 20 научни центрове и университети.

За мащабността на предстоящите научни изследвания говори както самото название на проекта, така и американското участие на световноизвестни научни центрове – Националната лаборатория „Енрико Ферми“, Националната лаборатория за оптична астрономия, Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ в Бъркли, Националната лаборатория SLAC, Арагонската национална лаборатория, както и няколко водещи университета – Тексаския, университета на Охайо, Калифорнийския университет в Санта Крус и Станфордския университет.

В състава на DES са включени и големи научнообразователни центрове на Великобритания – Лондонския университет, Кеймбридж и Единбург, Нотингам и Портсмут. Сред участниците са група учени от Центъра по фундаментална физика на Мюнхенския университет, от Института за космически изследвания на Испания, Института по физика на високите енергии в Мадрид, както и няколко бразилски научни центрове и университети.

Ръководител на DES е големият американски учен Джош Фриймън. Всички изследователски данни на DES ще се събират в Националния център за суперкомпютри в университета на Илинойс. Управлението на центъра ще пуска ежегодни предварителни обзори, а заключителните изводи ще бъдат публикувани след приключване на петгодишната програма през 2018–2019 година.

Важните изводи от изследванията ще се разглеждат на годишни конференции от всички участници, а в периодите между тях предварителните изводи и статии ще бъдат публикувани на сайта на DES, с изключение на тези, които ръководството сметне за преждевременни за публикуване или секретни за известен период от време.

С други думи, американците са хвърлили око на поредната Нобелова награда, този път – за изследване на същността на тъмната енергия. И това е съвсем естествено. Разгадаването на структурата на тъмната енергия може да стане най-голямото събитие в науката на ХХI век.

Главната задача на DES е обзор и проследяване на основните динамични процеси на разширяването на Вселената и развитието на големи космически структури – галактични купове и свръхнови.

Комплексни изследвания ще се водят в много посоки. За тази цел вече са създадени около десет работни групи – по изучаване на галактични купове, големи космически структури, свръхнови, еволюция на галактиките, както и отделни групи по изучаване на слаби и силни взаимодействия в Космоса.

Освен това ще действат и постоянни съвети по изработване на тактики и стратегии на изследванията, спомагателни отдели по калиброване, фотометрия на червеното отместване, по осигуряване на събиране и анализ на получените данни, по осигуряване и развитие на електронни, оптични и технологични възможности на този сложен комплексен проект.

През септември 2013 г. колаборацията DES е пристъпила към постоянно наблюдение почти във всички направления на мащабните изследвания. Програмата е петгодишна, окончателният ѝ етап е краят на 2018 година.

Лов на фотони

Изследванията на DES обхващат значителна част от небосвода на Южното полукълбо, което принципно съвпада с пространството за наблюдения на известния телескоп на Южния полюс (SPT).

Съществено е и това, че техническите методи по търсене на галактични купове на SPT и DES практически съвпадат. Това дава възможност за сравнителен анализ на резултатите от двата проекта в тази конкретна сфера.

На разположение на колаборацията е значително количество съвременно оборудване. Централната научна база, ако може така да се каже, се намира в обсерваторията в Чили – CTIO, където се използва четериметровият телескоп „Бланко“. Важна иновационна технология се явява специално разработената свръхчувствителна оптична камера DECam, чието тегло е около 4 тона.

DECam е в състояние да осъществи широк обзор на небосвода на Южното полукълбо, обхващайки пространство, което около 20 пъти превишава размера на Луната, както я наблюдаваме от Земята. Огромната камера се състои от три части – оптична, механична и изчислителна. Този уред е способен да осигури на астрофизиците най-ясните снимки в пет диапазона.

Електронно-изчислителната част на камерата е снабдена с 250-микронни чипове, което позволява да се фиксират взаимодействията на фотоните със значително отслабени енергии. В астрономичен план това има огромно значение – появява се възможност за откриване на космически обекти с голямо червено отместване и голям брой галактични купове.

Свети свръхнова звезда

Важно направление в изследванията на DES е детайлното изучаване на „поведението“ на свръхновите от тип Iа. Програмата на DES предвижда изучаването на основните параметри на няколко хиляди свръхнови и възможността да се регистрира яркост от порядъка на 3500 такива космически обекта. Освен това тези обекти се намират на разстояние няколко милиарда светлинни години от Земята.

По-нататъшните изследвания по тази програма, както смятат учените, могат да доведат до откриването на около 5000-6000 свръхнови, две трети от които могат да дадат ценни сведения за подробен анализ на много фактори на тъмната енергия.

Тук следва да направим малко историческо „отклонение“ за свръхновите. През 1998–1999 г. няколко американски учени – А. Райс, С. Пърлмутер и Б. Шмит – публикуват резултатите от своите наблюдения на свръхнови от типа Iа и стигат до еднозначен извод: Вселената се разширява с ускорение.

Те откриват, че в далечните галактики свръхновите имат яркост под тази, която им се полага по законите на физиката, докато разстоянието до тях било определено по закона на Хъбъл. Направен е извод, че Вселената не просто се разширява, а се разширява с ускорение.

Както е известно, по-рано съществуващите космологични модели смятали, че разширението на Вселената се забавя. Те изхождали от предположението, че основната маса на Вселената се пада на барионната материя и на невидимата тъмна материя.

Въз основа на споменатите нови наблюдения, свидетелстващи за ускорено разширение, е обявено съществуването на неизвестен вид енергия с отрицателно налягане, която била наречена тъмна енергия. Темпът на разширение на Вселената, както смятат учените, в 65-70% се дължи именно на тъмната енергия.

Колаборацията DES, която прави акцент върху изучаването на свръхновите звезди, вероятно ще изхожда от това, че преди 15 години две групи американски учени въз основата на наблюдения на тридесет-четиридесет такива звезди са стигнали до извода за разширеното ускорение на Вселената и че главна виновница за това е тъмната енергия.

Тоест безспорно изучаването на около 10 000 най-далечни свръхнови ще доведе до определено разбиране на същността и редица характеристики на тъмната енергия. При това учените сега се отказват от редица съществуващи сред физиците предполагаеми характеристики на тъмната енергия.

Портретът на тъмната енергия

Първо, хипотезата за съществуването на тъмна енергия (каквото и да представлява тя) решава така наречения проблем за невидима маса или енергия. Теорията на ядрения синтез след Големия взрив обяснява образуването в ранната Вселена на леки химични елементи (хелий, литий, водород), което е довело до формирането на мащабните структури във Вселената – галактики и галактични купове.

Тази теория предполага, че плътността на обичайната, барионна, материя и тъмната материя е само 30% от критичната плътност на Вселената. Следователно неизвестна форма на невидима енергия трябва да дава липсващите 70% плътност на Вселената. По уточнени данни на космическия телескоп „Планк“ общата маса на Вселената се състои от 68,3% тъмна енергия, тъмната материя е 26,8% и барионната материя е 4,9%.

Второ, както смятат учените, хипотетичната плътност на тъмната енергия не е голяма – тя е около 100 млрд. пъти по-малка от мощността на силните ядрени взаимодействия (около 200 млн. електронволта).

Трето, учените смятат, че тъмната енергия е разпределена равномерно по цялата Вселена.

Четвърто, учените са стигнали до предварителен извод, че плътността на тъмната енергия е била такава, каквото и днес, и в периода на ранната Вселена. А плътността на барионната материя и тъмната материя вече няколко милиарда години постоянно намалява. Затова след 20-30 млрд. години плътността на тъмната енергия ще заеме доминиращи позиции, което в крайна сметка може да предизвика взрив на Вселената.

Но всичко това все още са хипотези, изискващи сериозни потвърждения.

Още едно направление на изследванията на DES са барионните акустични осцилации (Baryon Acoustic Oscillations, BAO). BAO са акустични вълни, образували се скоро след раждането на Вселената, когато тя е била запълнена с плазма от бариони и фотони.

Учените, ангажирани в колаборацията DES, смятат че ВАО е важен инструмент от съвременната космология, особено за възникването и еволюцията на тъмната енергия. Този метод може да се използва за изясняване на обема и ролята на тъмната енергия в различни периоди от развитието на Вселената.

DES планира с използването на ВАО по-точна фиксация на червеното отместване на около 300 млн. галактики, което почти 20 пъти превишава предишните фотометрични измервания. Изследователите смятат, че такива мащабни и по-точни измервания заедно с определянето на яркостта на взривовете на около 10 000 свръхнови могат да внесат решаващ принос в отстраняването на неясните моменти в определянето на плътността и разпределението на тъмната енергия и нейната роля в еволюцията на Вселената.

Разполагайки с все още единственото в света чувствително оборудване, учените от DES възнамеряват да регистрират най-далечните галактични купове с маса от порядъка на 5х10¹³ слънчеви маси. Колаборацията се надява през следващите четири-пет години да регистрира около 170 000 галактични купа.

Учените разчитат, че ще успеят да установят съотношението между гравитацията и тъмната енергия, по-конкретно да проверят хипотезата, че тъмната енергия притежава антигравитационен, отблъскващ ефект.

Изследователите планират да фиксират светлината, излизаща от най-далечните галактики и квазари, засегната от ефекта на гравитационно изкривяване поради въздействието на други, по-мощни космически обекти.

Последните, както се смята, се състоят от тъмна материя. Тяхната структура е невъзможно да се фиксира със стандартните астрономични методи.