Ускорена експанзия: пет осветляващи факта за тъмната енергия

Това е една от най-големите загадки на модерната наука: вселената се разширява все по-бързо. Но как се случва тази ускорена експанзия? Едно от обясненията, считано от много физици за най-вероятното, е така наречената тъмна енергия. Какво представлява тя? Има ли възможни други обяснения? Ето петте най-важни въпроси и отговори.

Каква е разликата между тъмна енергия и тъмна материя?

И двата феномена имат думата „тъмна“ в името си, но почти нямат общо помежду си. Тъмната материя носи името си, поради хипотезата, че се състои от все още неизвестни частици, които не показват електроматнитно взаимодействие, например със светлина. Т.е. те нямат излъчване и остават тъмни. Тази форма на материята обаче се осъществява и с участието на частици, които имат маса, както при обичайната материя, също и с фотони в гравитационно взаимодействие. По този път те биха могли да бъдат открити, защото тъмната материя трябва да даде обяснението за това, защо определени галактики се държат по различен начин от този, който теорията към днешна дата би очаквала от тях. Какво точно представлява тази удивителна форма на материята, все още не е ясно.

Името „тъмна енергия“ идва от мистериозното й поведение. Това е нещо съвсем различно от тъмната материя, но също толкова мистериозно. Тъмната енергия не може да бъде директно доказана, но тя е отговорна за ускореното разширяване на галактиките в космоса. Така вселената става все по-голяма.
Двата феномена представляват големия дял на енергията в космоса. Смята се, че тъмната енергия представлява около 70% от цялата енерегия. Тъмната материя представлява 25%. „Нормалната“ материя, от която се състоим ние, обектите около нас и всички звезди и планети представлява около 5 на сто. Така 95% от вселената може да се опише като „тъмна“.

Как и кога е открита тъмната енергия?

Учените забелязват още преди 100 години, че отдалечени космически обекти се отдалечават все повече от нас и че това става все по-бързо. До края на 90-те години на миналия век учените смятаха, че гравитацията по някое време ще сложи край на тази динамика, ще сложи спирачка на процеса на разширяване и в крайна сметка дори ще обърне процеса.

Тогава обаче два отделни изследователски екипа водени от Сол Пърлмутер, Адам Рийс и Брайан Шмид, откриха с помощта на супернова тип Ia, че експанзията на вселената дори се ускорява. Този специален вид супернова служи на астрономите за стандарт, защото потокът светлина, излъчван от нея е точно известен и достатъчно силен, така че позволява да се измери точно отдалечението й на големи разстояния. За откритието си тримата учени получиха Нобелова награда за физика през 2011, но това което липсваше, беше обяснението за причините, поради които тази експанзия се случва.

Какви обяснения имат учените за тъмната енергия?

Повечето физици смятат за вероятен един следните два модела:
Тъмната енергия е ефект на т.нар. вакуумна енергия, но може да се обясни и с наличието на все още непозната частица, която представлява квинтесенция на целия космос.

При вакуумната енергия става дума за концепция от квантовата физика. При нея от нищото в напълно празното пространство възникват непрестанно виртуални двойки от частици материя и антиматерия. Те просъществуват обаче екстремно кратко и се унищожават една друга. Според принципа на Айнщайн, енергията и масата са еквивалентни, следователно енергията също може да оказва влияние на гравитацията. Енергията теоретично, противоположно на масата, може да оказва негативен натиск, който отблъсква обектите, които имат маса, вместо да ги привлича. Следователно енергията на виртуалните частици във вакуум, би могла да е причината за експанзията на вселената. Математически тъмната енергия се обяснява с „космологична константа“, както е предположил Айнщайн в Теорията си за относителността. Според актуалните експерименти обаче съществуват няколко десетки порядъка разлика между това, което вакуумът притежава като енергия и енергията, скрита в ускоряващата се експанзия.

Второто фаворизирано обяснение е свързано с концепцията за частицата Хигс. Хипотезата за квинтесенцията е базирана на все още неизвестна, много по-лека частица от Хигс. Тя притежава поле, което привлича цялото пространство и дава на всяка точка качество, което действа противоположно на привличането на гравитацията. Свойствата на тази частица би трябвало принципно да са сравними с тези на Хигс – Бозон, но тя трябва да е 44 пъти по лека. За разлика от вакуумната енергия, влиянието на тази частица, по – точно на нейното поле би следвало да се променя с времето. Това от своя страна предполага настъпването на студена смърт на вселената, срив, поради изтъняването на разпределената материя или разкъсване на съставните части на вселената.

Има ли други възможни обяснения за ускорената експанзия?

Космологичната константа и Квинтесенцията са предпочитаните обяснителни модели от повечето физици. Има обаче още един вариант, който е разглеждан от някои учени също като правдоподобна причина за ускореното разширяване на вселената: „модифицираната“ гравитация. Това би означавало, че Общата теория на относителността не описва съвсем коректно действието на гравитацията в огромните космически мащаби. Алтернативно описание би могло да обхване и отклоненията, които не могат да се обяснят с уравненията на Айнщайн.

Само че Общата теория на относителността след измерването на гравитационните вълни е по-силна от всякога. Модифицирането на гравитацията трябва най-малкото да опише всички феномени точно толкова прецизно, колкото и Теорията на относителността и допълнително да обясни ускорената експанзия на вселената. Подобна нова теория все още не се задава на хоризонта.

Как се проучва тъмната енергия?

За да премерят ускоряващото се разширяване на вселената, учените наблюдават различни космически обекти. Те определят тяхното отдалечение и скорост, така че да се получи профил на движението на заобикалящата ни среда. За целта се измерва и червеното отместване на обектите (Червено отместване е отместването на спектралните линии на химичните елементи към червения край на спектъра, т.е. в посока на увеличаване на дължината на вълната. ) При добре характеризирани обекти като супернова тип Ia стандарт може да се премери и скоростта на обектите.

От август 2013 г. в чилийските Анди учените наблюдават с телескоп и специална камера четири определени космически явления: супернова, първични звукови вълни, гравитационни лещи и галактически купове. Това се случва в рамките на проекта „Проучване на тъмната енергия“ (Dark Energy Survey (DES)), който до края на 2016 г. трябва да представи данните от финала на първата фаза на проучванията.