Відкриття прискореного розширення Всесвіту наприкінці XX століття стало одним із найважливіших досягнень у сучасній космології. Всупереч очікуванням, що гравітація повинна сповільнювати розширення, спостереження показали, що цей процес, навпаки, прискорюється. Рушійною силою цього явища є темна енергія, яка, згідно з сучасними моделями, становить приблизно 68,3% від загальної енергії-маси Всесвіту (див. тут). Незважаючи на її домінуюче значення, природа темної енергії залишається однією з найбільших загадок фізики. У цій статті ми розглянемо, що таке темна енергія, як її було відкрито, та основні гіпотези щодо її природи.
Теоретичні передумови для існування сили, що протидіє гравітації, були закладені ще у 1917 році, коли Альберт Ейнштейн, працюючи над своєю загальною теорією відносності, ввів у рівняння так звану космологічну константу (Λ). Він використовував її для створення статичної моделі Всесвіту, яка на той час вважалася загальноприйнятою. Однак, після відкриття Едвіном Габблом розширення Всесвіту, Ейнштейн відмовився від цієї ідеї, назвавши її своєю “найбільшою помилкою”. Іронія полягає в тому, що сучасні космологічні дані вказують на те, що ця константа може бути найкращим описом природи темної енергії.
Історія відкриття прискореного розширення Всесвіту тісно пов’язана з дослідженням наднових типу Ia (SN Ia). Ці вибухи білих карликів мають майже однакову пікову світність, що робить їх ідеальними «стандартними свічками» для вимірювання космологічних відстаней. У 1998 році дві незалежні групи — Supernova Cosmology Project під керівництвом Сола Перлмуттера та High-Z Supernova Search Team під керівництвом Адама Рісса та Браяна Шмідта — одночасно опублікували результати своїх спостережень за SN Ia. Їхні дані показали, що далекі наднові були на 10-25% тьмянішими, ніж очікувалося, згідно з моделями уповільненого розширення. Це свідчило про те, що вони знаходяться далі, ніж припускалося, а це можливо лише в тому випадку, якщо розширення Всесвіту прискорюється. Це епохальне відкриття було відзначене Нобелівською премією з фізики у 2011 році.
Механізм дії темної енергії полягає у створенні негативного тиску, який діє як «антигравітація» і змушує простір розширюватися. Це відрізняє її від звичайної та темної матерії, які створюють позитивний тиск і сприяють гравітаційному притягуванню. Наразі існує кілька провідних гіпотез щодо природи темної енергії:
- Космологічна константа (Λ): Найпростіша модель припускає, що темна енергія є незмінною густиною енергії вакууму. Ця концепція є невід’ємною частиною сучасної ΛCDM-моделі (Lambda-Cold Dark Matter), яка є стандартною моделлю космології. Однак ця гіпотеза має серйозну проблему: теоретичні розрахунки квантової механіки передбачають значення енергії вакууму, яке на багато порядків перевищує спостережуване, що відомо як «проблема космологічної константи».
- Квінтесенція: Ця гіпотеза передбачає, що темна енергія є динамічним полем, яке змінюється з часом і простором. Це гіпотетичне скалярне поле може мати змінну густину енергії, що потенційно може пояснити деякі тонкощі в спостереженнях, які не може врахувати модель ΛCDM.
- Модифікація загальної теорії відносності: Деякі фізики припускають, що прискорене розширення є не наслідком існування темної енергії, а результатом необхідності модифікувати рівняння Ейнштейна на космологічних масштабах. Такі теорії, як f(R)-гравітація, намагаються пояснити спостереження, змінюючи стандартні закони гравітації.
Подальша доля Всесвіту значною мірою залежить від природи темної енергії. Якщо темна енергія залишатиметься незмінною космологічною константою, Всесвіт продовжить прискорюватися, що в кінцевому підсумку призведе до сценарію «Великого замерзання» (Big Freeze). У цьому випадку галактики віддалятимуться одна від одної настільки швидко, що зрештою стануть невидимими, а Всесвіт стане холодним і порожнім. Якщо ж темна енергія виявиться квінтесенцією, то можливі інші сценарії, включаючи «Велике стиснення» (Big Crunch) або «Великий розрив» (Big Rip), залежно від параметрів її рівняння стану.
