Всесвіт прискорюється, і ніхто не знає чому. Ця загадка пов'язана з феноменом, який називається темною енергією. Вона містить близько 70% від загальної маси-енергії Всесвіту, але її фізична природа досі залишається невідомою.
Європейське космічне агентство (ЄКА) планує запустити новий космічний телескоп під назвою "Евклід" для розв'язання цієї загадки. Місія "Евклід" також має на меті складання карти геометрії та еволюції Всесвіту. Науковці сподіваються уточнити відстань до мільярдів галактик, що допоможе розкрити вплив темної енергії на структуру і розширення Всесвіту.
"Евклід" матиме спектрометри видимого та ближнього інфрачервоного діапазону. Ці інструменти дозволять збирати світло від далеких зоряних систем і визначати червоне зміщення, яке є мірою віддаленості галактик від нас. Це є результатом розширення Всесвіту.
Завдання "Евклід" - створення тривимірної мапи Всесвіту з надзвичайною точністю та деталізацією. Для вивчення темної енергії космічна лабораторія використовуватиме два інструменти: слабке гравітаційне лінзування та баріонні акустичні коливання.
Слабке гравітаційне лінзування - це ефект, коли світло викривляється близькими масивними об'єктами, наприклад, галактикою або скупченнями галактик. Такий ефект дозволяє вимірити розподіл маси та перевірити різні теоретичні моделі, в тому числі темної енергії.
Баріонні акустичні коливання - аналогічний ефект, коли звукова хвиля, що ширилась раннім Всесвітом, залишила слід у розподілі галактик.
Euclid заплановано запустити на 2023 рік з мису Канаверал у Флориді за допомогою ракети Vega-C. Обсерваторія працюватиме на сонячній орбіті, віддаленій на 1,5 млн км від Землі, протягом шести років. Його завданням буде огляд 15 000 квадратних градусів, що становить близько третини всього неба.
Загадка, яка не дає спокою космологам
25 років тому команда астрономів викликала шок повідомленням про розширення Всесвіту. З'ясувалося, що розширення простору-часу прискорюється, а не сповільнюється через гравітацію, як вважали науковці.
Для встановлення цього факту дослідники використали вимірювання 50 наднових типу Ia - наднових, що залишають після себе білі карликові зорі з передбачуваними характеристиками. Виявилось, що найвіддаленіші з них були тьмянішими а, отже, віддаленішими, ніж мали бути за теорією. Якби розширення Всесвіту було постійним або сповільнювалося.
Тому був зроблений висновок, що діє темна енергія. Далі накопичувалися докази її існування: сотні нових наднових, спостереження за скупченням галактик, закономірності післясвітіння Великого вибуху та космічний мікрохвильовий фон.
Наразі існує консенсусна модель, Λ-CDM, яка описує склад всесвіту. Згідно з нею, всесвіт складається з трьох компонентів: 5% нормальної матерії, головним чином атомів; 27% холодної темної матерії або невиявлені частинки; і 68% темної енергії, походження якої залишається загадкою.
Грецька літера Λ використовується для позначення космологічної постійної, яку Ейнштейн запропонував у 1917 році, коли він намагався розв'язати математичні проблеми новоствореної теорії гравітації.
У той час астрономи вважали всесвіт статичною системою, Ейнштейн шукав спосіб уникнути гравітаційного колапсу. Космологічна константа була однією з його пропозицій, але він ніколи не відчував себе комфортно з цією ідеєю, оскільки вона виглядала штучною. Згодом виявилось, що далекі галактики розлітаються внаслідок Великого вибуху, і великий фізик відмовився від космологічної константи.
Наперекір своїй гносеологічній смерті, поняття "лямбда" продовжує маршувати. Однак вона не задовольняє космологів, оскільки є звичайним коефіцієнтом, який не пояснює сутності темної енергії та причин її виникнення. Адже показник був введений тільки для гарантування правильності математичних розрахунків, але не дає відповідей на питання про походження темної енергії та причини її існування.
Крім того, виникли проблеми з іншим показником — w.
Ми не знаємо, що таке w, навіть якщо його значення дорівнює -1", - зауважує астрофізик Офер Лахав з Університетського коледжу Лондона. Тут w описує вплив темної енергії, а не саму ТЕ.
Всі вимірювання поки що вказують на w, що наближається до -1. Якщо оцінки виявляться точними, можна зробити єдиний висновок: коли Всесвіт розширюється, створюючи все більше простору, загальна кількість темної енергії також зростає. Таким чином, густина енергії завжди залишається постійною.
Навіть невелике відхилення від -1 або, краще кажучи, зміна значення w з часом може вивести космологів на нову всеосяжну теорію. Є можливість, що це спонукатиме до перегляду теорії гравітації Ейнштейна або теорій, які враховують нову змінну, пов'язану з часом.
Як вимірити темну енергію?
Згідно з квантовою механікою, вакуум має енергію, яку створюють і руйнують флуктуації пар "частинка-античастинка". Однак передбачувана енергія надто велика: вона перевищує значення лямбда, десь в 1 зі 120 нулями разів.
"Це несумісно з нашим існуванням", - каже Уе-Лі Пен, астрофізик-теоретик з Інституту Периметра. - Всесвіт вибухнув би".
Космологи описують простір як ідеальну рідину, де w - це відношення тиску рідини до густини енергії. Значення -1 вказує на постійний тиск, а від'ємне значення говорить про тиск ззовні.
Відхилення від -1 демонструє зміну густини ТЕ з часом, тобто прискорення або зменшення “обсягу” всесвіту.
Але всі попередні оцінки наближаються до значення -1 в межах похибки. Тому, щоб отримати більш точне значення, астрономи бажають докладніше вивчити середню частину космічної історії, зокрема період з 6 до 8 мільярдів років після Великого вибуху. В цей час всесвіт був меншим і гравітація мала більший вплив, ніж темна енергія.
А як бути з переходом від уповільнення до прискорення? У нас немає засобів, щоб проникнути так далеко в минуле. Наземні телескопи не достатньо точно вимірюють об’єкти, як розташовані за більш ніж 3 мільярди років від нас.
Космічна місія "Евкліда"
У 2007 році ЄКА отримала дві пропозиції про місії, які вперше вивели б пошук темної енергії в космос.
Одна з них називається "Дослідник темного Всесвіту". Вона використовує метод слабкого гравітаційного лінзування. Це невеликі спотворення у формах далеких галактик. Вони виникають, коли гравітація викривляє світло астрономічних об'єктів.
Сильне гравітаційне лінзування дозволяє бачити витягнуті дуги або копії небесних об'єктів. Але такі феномени занадто малі, щоб їх побачити. Їх можна виміряти тільки статистичним порівнянням багатьох зображень галактик.
Однак вимірювання дають астрономам змогу оцінити, наскільки згущена матерія між зображеними галактиками та Землею. А роблячи подібні вимірювання для галактик на різних відстанях, науковці здатні побачити, як гравітація і темна енергія борються з часом.
Інша пропозиція називається Спектроскопічний всенебесний космічний дослідник (SPACE). Вона базується на використанні так званих баріонних акустичних коливань (БАК). Вони з’явились незабаром після Великого вибуху, коли Всесвіт був гарячим супом із газу та фотонів.
Щільні острівці матерії посилали звукові хвилі, збираючи матерію в бризки навколо себе. Слід пульсацій можна розглядати як ознаку того, на скільки розбіглися перші галактики через 490 мільйонів після Великого вибуху.
Картографуючи мільйони галактик і вимірюючи, наскільки великою була стандартна лінійка в різний час, астрономи зможуть виміряти швидкість розширення Всесвіту. А також побачити, як на нього впливає темна енергія.
Евклід не буде самотнім у своєму прагненні розгадати темний Всесвіт. До нього долучаться інші проєкти, такі як космічний телескоп НАСА "Рим" і земна обсерваторія ім. Віри К. Рубін. Вони використовуватимуть різні методи та довжини хвиль для спостереження за широкими ділянками неба.
Очікується, що Euclid працюватиме протягом шести років з можливістю продовження. За цей час він збере величезну кількість даних, які не тільки поглиблять наші знання про космологію, а й відкриють нові вікна в інші галузі астрономії, такі як еволюція галактик, зоряна фізика і планетологія.
