Что такое Темная Энергия?

Астрофизик, космолог, доктор Этан Зигель ведет отличный блог о природе, структуре и эволюции нашей Вселенной. Все время возвращаюсь к нему - потому, что, пожалуй, он - один из лучших популяризаторов такой сложной для понимания подчас науки как космология.

Итак, что такое темная энергия?

Эйнштейн и его космологическая постоянная (лямбда-член)

с сайта www.scholarpedia.org

Из-за того, что темная энергия составляет около 70 процентов Вселенной, она просто доминирует над обычной материей. Это значит, что темная энергия управляет расширением, и, в конечном счете, определяет судьбу Вселенной

Эрик Линдер (Eric Linder)

Прошло уже некоторое время спустя того момента, когда мы обсуждали темную энергию. Тогда мы говорили о грубейшем просчете Эйнштейна, и потому давайте-ка нырнем в эту тему немножко поглубже.

Image credit: S. Beckwith & the HUDF Working Group (STScI), HST, ESA, NASA.

Это наблюдаемая нами Вселенная - как ее показывает Хаббл - с сотнями миллиардов галактик, вытянутыми в пространстве на 41 млрд световых лет по всем направлениям, показывающими, что происходило со Вселенной в далеком и близком прошлом, а также на что она похожа сейчас. И взгляд этот ограничен только нашим желанием и способностью видеть. Есть три больших комплекта наблюдений, которые говорят нам столько всего о Вселенной в больших масштабах.

Image credit: Northern Galactic Cap from the SDSS-III release, via http://www.sdss3.org/.

1. То, как галактики группируются в большом масштабе.

Рассматривая крупномасштабные исследования галактик, мы видим, как во Вселенной сгруппирована вся материя, как и где она сбита в кучи, а где наоборот - разрежена, где существуют огромнейшие пустоты. Внося различные ингредиенты в модель Вселенной, которой управляет Общая Относительность, мы можем моделировать, как же в ней формировались различные структуры. И мы можем сказать, что такое наша Вселенная - там, где модели совпадают с наблюдаемой нами картиной.

Image credit: ESA and the Planck Collaboration.

2. Температурные флуктуации микроволнового фонового космического излучения.

Рассматривая флуктуации температуры - горячие и холодные пятна - мы можем судить о том, где во Вселенной были самые большие и самые малые плотности, как они группировались по отношению друг к другу - на всем пути обратно во времени - вплоть до момента, отстоящего от Большого Взрыва на 380 тысяч лет!  Поскольку свету пришлось путешествовать с того момента почти целые 13.8 млрд лет (а он путешествует по Вселенной 99.997% всей ее истории), мы можем получить информацию о том, какой была Вселенная в те времена, а также, как она с тех пор расширялась. Эта картина флуктуаций показывает нам также различные комбинации ингредиентов нашей Вселенной.

 Image credit: Kowalski et al., Ap.J., 2008.

3. Прямые наблюдения хорошо известных нам объектов на разных расстояниях/красных смещениях в нашей Вселенной.

Все - от переменных до свойств различных галактик и далеких сверхновых -  помогает нам взбираться по этой космической лестнице. И эти наблюдения говорят нам о том, как развивалась Вселенная от того времени, которое мы можем измерить - и до настоящего.

Со всеми этими тремя комплектами данных - добавляя сюда и другие измерения, хотя основными по-прежнему будут все те же три  - мы можем узнать, что во Вселенной есть материя (31-32%, большинство которой - темная материя), а остальное составляет темная энергия.

Image credit: Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint; Аннотации Этана Зигеля.

И вы спросите - что же такое темная энергия, как мы узнаем ее?

В принципе - под принципом я понимаю Общую Относительность - материя, энергия, дефекты топологии и, вообще говоря все остальное, что вы может вбросить в вашу Вселенную - будет влиять на ее расширение и проявляться в двух параметрах - плотность энергии и давление.

Image credit: Large Synoptic Survey Telescope, NSF, DOE, and AURA.

Поскольку, как мы наблюдаем, Вселенная расширяется, и поскольку мы знаем, как ведет себя материя (да, и даже темная материя - согласно Общей Теории Относительности), мы можем судить о плотности и давлении темной энергии. В частности, мы знаем, что давление темной энергии отрицательно, сильно отрицательно.

В Общей Теории Относительности можно соотнести давление любого компонента Вселенной к плотности его энергии таким простым уравнением:

ρ = w P / c²,

где ρ - плотность энергии, Р- давление, с - скорость света, и w- просто какое-то число. 

Image credit: A.V. Vikhlinin, R.A. Burenin, A.A. Voevodkin, M.N. Pavlinsky.

Согласно лучшим имеющимся у нас на текущий момент данным, w=-1. Со временем, мы надеемся определить его лучше, но даже сейчас мы можем определить его с точностью -1 ± 0.08 - что уже очень неплохо.

И вот в чем штука - в теории давление различных космологических компонентов нарастает с дискретностью 1/3. Например:

- у излучения (фотоны и нерелятивистская материя) w=+1/3

- у материи (обычной и темной) w=0, она практически не обладает давлением

- у космических струн (или одномерных топологических дефектов)  w=-1/3. Это грань между тем, что заставляет Вселенную расширяться (меньше этого значения) или нет

- у стен доменов - или у двумерных топологических дефектов w=-2/3

- у космологической постоянной (или у текстур - трехмерных дефектов) w=-1

Это простые свойства.

Image credit: NASA / CXC, via http://chandra.harvard.edu/.

Но темная энергия может быть также чем-то совсем странным. Отношение плотности и давления у нее могут и меняться со временем. Оно может быть чем-то, чего мы совсем не понимаем. Она может быть очень, очень странной, и наши измерения, которые показывают w=-1 - лучшее, что мы сейчас видим - могут соответствовать только тому состоянию, в котором наша Вселенная пока находится.

И что мы обнаружили?

Image credit: Pearson / Addison-Wesley.

Чем дальше в прошлое мы смотрим, тем все лучше и лучше соответствует тому, что мы знаем о космологической постоянной. 

Космологическая постоянная обладает следующими преимуществами:

- ее просто объяснять

- она неизменна (даже если ее значение - 0)

- ей не нужна никакая новая физика вне стандартной модели

Мы продолжим изучать различные варианты темной энергии, квинтэссенция которой - темная энергия, управляемая скалярным полем, конечно же. Но, теоретически, у нас нет пока мотивации в этих исследованиях, пока мы не обнаружим некие подтверждения тому, что темная энергия - нечто большее (или совсем другое), чем простая космологическая постоянная. И, поверьте мне, мы действительно ищем такие подтверждения.

Image credit: LSST and others, via http://www.lsst.org/lsst/science/scientist_dark_energy.

Это не значит, что темная энергия - космологическая постоянная, это значит, что пока это лучшая из имеющихся у нас гипотез - до тех пор пока не появятся опровержения, а таковых пока в виду что-то не видно. Это лучшее, что пока у нас есть.

P.S. там есть еще и отличнейшая статья про ошибку Эйнштейна - собственно, первая из этой серии. Постараюсь перевести в ближайшие дни.