Темная энергия

Тёмная энергия — это гипотетическая форма энергии, которая равномерно заполняет всё пространство Вселенной и отвечает за её ускоренное расширение. Тёмная энергия является одной из самых загадочных составляющих Вселенной, и её природа до сих пор остаётся неизвестной. Она составляет около 68% всей энергии-массы Вселенной (согласно данным миссии Planck, 2018).

 

История открытия

1. Теоретические предпосылки:

   • В 1917 году Альберт Эйнштейн ввёл космологическую постоянную ($\mathrm{\Lambda }$) в свои уравнения общей теории относительности (ОТО), чтобы обеспечить статическую Вселенную. Позже он назвал это своей "величайшей ошибкой", когда стало ясно, что Вселенная расширяется.

   • В конце XX века космологическая постоянная была "реабилитирована" как возможное объяснение тёмной энергии.

2. Наблюдательные доказательства:

   • В 1998 году две независимые группы астрономов, изучавшие сверхновые типа Ia, обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Это открытие привело к возрождению идеи космологической постоянной и введению понятия тёмной энергии.

   • За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике в 2011 году.

 

Свойства тёмной энергии

1. Отрицательное давление:

   • Тёмная энергия обладает отрицательным давлением, что приводит к отталкивающему гравитационному эффекту и ускоренному расширению Вселенной.

2. Постоянная плотность:

   • В отличие от обычной материи и тёмной материи, плотность тёмной энергии остаётся практически неизменной по мере расширения Вселенной.

3. Равномерное распределение:

   • Тёмная энергия равномерно распределена во Вселенной и не образует сгустков, как тёмная материя.

 

Основные гипотезы о природе тёмной энергии

1. Космологическая постоянная ($\mathrm{\Lambda }$):

   • Самая простая и популярная модель тёмной энергии — это космологическая постоянная, введённая Эйнштейном. В этой модели тёмная энергия представляет собой энергию вакуума, плотность которой постоянна во времени и пространстве.

   • Однако теоретические расчёты энергии вакуума в квантовой теории поля дают значения, на много порядков превышающие наблюдаемые, что создаёт проблему "космологической постоянной".

2. Квинтэссенция:

   • Альтернативная гипотеза предполагает, что тёмная энергия — это динамическое поле, называемое квинтэссенцией. В отличие от космологической постоянной, плотность квинтэссенции может изменяться со временем.

   • Квинтэссенция может взаимодействовать с другими формами материи, что делает её более сложной, но и более гибкой моделью.

3. Модифицированная гравитация:

   • Некоторые теории предполагают, что ускоренное расширение Вселенной связано не с новой формой энергии, а с изменением законов гравитации на больших масштабах. Примеры таких теорий включают $f(R)$-гравитацию и теорию МОНД (модифицированная ньютоновская динамика).

4. Другие модели:

   • Существуют и более экзотические гипотезы, такие как фантомная энергия (с отрицательной кинетической энергией) или модели, связанные с дополнительными измерениями.

 

Наблюдательные доказательства

1. Сверхновые типа Ia:

   • Эти сверхновые используются как "стандартные свечи" для измерения расстояний во Вселенной. Наблюдения показали, что далёкие сверхновые тусклее, чем ожидалось, что указывает на ускоренное расширение.

2. Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ):

   • Данные миссий WMAP и Planck позволили измерить параметры Вселенной, включая плотность тёмной энергии.

3. Крупномасштабная структура Вселенной:

   • Наблюдения распределения галактик и скоплений галактик подтверждают наличие тёмной энергии.

4. Барионные акустические осцилляции (BAO):

   • Эти "отпечатки" ранней Вселенной используются для измерения расстояний и подтверждают ускоренное расширение.

 

Влияние тёмной энергии на судьбу Вселенной

1. Ускоренное расширение:

   • Тёмная энергия доминирует в современной Вселенной и определяет её динамику. Если плотность тёмной энергии останется постоянной, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно.

2. Большой разрыв (Big Rip):

   • В некоторых моделях (например, фантомная энергия) тёмная энергия может привести к "разрыву" Вселенной, когда все структуры, включая атомы, будут разорваны.

3. Большое замерзание (Big Freeze):

   • Если тёмная энергия ведёт себя как космологическая постоянная, Вселенная будет продолжать расширяться, пока не достигнет состояния тепловой смерти (все процессы прекратятся из-за крайне низкой температуры).

 

Современные исследования

1. Космологические обзоры:

   • Проекты, такие как Dark Energy Survey (DES), Euclid и LSST, направлены на уточнение свойств тёмной энергии с помощью наблюдений сверхновых, BAO и слабого гравитационного линзирования.

2. Лабораторные эксперименты:

   • Учёные пытаются обнаружить следы тёмной энергии в лабораторных условиях, например, изучая возможные взаимодействия с обычной материей.

3. Теоретические разработки:

   • Продолжаются поиски новых моделей, которые могли бы объяснить природу тёмной энергии, включая квантовую гравитацию и теорию струн.

 

Заключение

Тёмная энергия — это одна из самых больших загадок современной физики. Её открытие изменило наше понимание Вселенной, но природа тёмной энергии остаётся неизвестной. Решение этой проблемы может привести к революции в физике, объединив квантовую теорию и гравитацию, а также раскрыв новые фундаментальные законы природы.