Десетилетия наред теорията за гравитацията, която следва от общата теория на относителността,
По това време изследователите за първи път откриха товаПоведението на далечните галактики не отговаря на предсказанията на теорията за гравитацията. Изкривяванията на пространство-времето от далечни клъстери и звездни системи се оказаха много по-силни от масата на такива обекти, изчислена въз основа на наблюдения.
По-късно, в края на 90-те години, изследователитеоткри още един необичаен факт. Оказва се, че скоростта на разширяване на Вселената се увеличава с времето. Този ефект постави друго предизвикателство пред теорията на Алберт Айнщайн: гравитационните ефекти на материята трябваше да забавят разширяването на Вселената, а не да го ускорят. Съвременният космологичен модел - моделът ΛCDM - намери отговори на тези въпроси, но учените не се отказват от надежда да оспорят гения от първата половина на 20 век.
Защо учените смятат, че Вселената се разширява с ускорена скорост?
Ускореното разширяване на Вселената е открито през1998 г. в резултат на работата на два независими екипа наведнъж: Проектът за космология на свръхнова и Групата за търсене на свръхнови High-Z.И двете изследователски групи изучават ускоряването на разширяването на Вселената чрез анализиране на далечни звездни експлозии.
Свръхновите от тип La имат почти същотостандартна осветеност. Чрез наблюдение на яркостта на такива обекти може да се определи колко далеч са те. Освен това, когато Вселената се разширява, светлината от далечни обекти се измества към червената страна на спектъра. Чрез измерване на червеното отместване може да се определи колко се е разширила Вселената след появата на свръхновата.
Астрофизиците по време на тезиекспериментите бяха уверени, че Вселената трябва да се разширява с по-бавна скорост, след което процесът трябва или да спре, или да започне да се свива. Но неочакваният резултат, до който двете групи учени стигнаха независимо един от друг, беше, че Вселената се разширява с ускоряваща се скорост.
По-късно е потвърдено разширяването на Вселенатадруги методи. Измерването на космологичния микровълнов фон (следи от Големия взрив), ефектите от гравитационните лещи и анализът на барионните акустични трептения потвърждават хипотезата за разширяването на Вселената.
През 2007 г. и двата екипа, открили ефекта от разширяването на Вселената, бяха удостоени с наградата Грубер в областта на космологията, а през 2011 г. трима от участниците получиха Нобелова награда за физика.
Ускорено разширяване на Вселената. Изображение: НАСА, STSci, Ан Фейлд
Как да обясним ускореното разширяване?
За да обяснят наблюденията (разширяването на Вселената и по-силното изкривяване на пространство-времето от далечни галактики), учените въведоха два нови модела - тъмна материя и тъмна енергия.
Тъмната материя е хипотетична формаматерия, която според учените съставлява около 85% от материята във Вселената. Нарича се тъмен, защото не взаимодейства по никакъв начин с електромагнитното поле. С други думи, такава материя не отразява, не абсорбира и не излъчва светлина и други електромагнитни вълни. Той обаче има собствена маса, а от там и гравитационното влияние. Добавянето на тъмна материя към космологичните модели помага да се обясни по-силната гравитация на далечните галактики.
Тъмната енергия е хипотетична формаенергия, за разлика от тъмната материя, малко се знае за нея. Смята се, че тъмната енергия е много хомогенна, не много плътна и не може да взаимодейства с никоя от основните сили, различни от гравитацията. Тази енергия е свързана с енергията на вакуума. Ако приемем, че с разширяването на Вселената и увеличаването на свободното пространство тази енергия се увеличава, тогава може да се обясни преходът от равномерно към ускорено разширение.
Въпреки че хипотезата за тъмната енергия описва добрепроцесите, наблюдавани във Вселената, самото й съществуване и взаимодействие само с гравитационното поле е трудно да се свържат с общата теория на относителността и теорията на Айнщайн за гравитацията.
Как да проверим теорията?
Някои учени смятат, че ако теориятагравитацията не може да обясни тъмната енергия, може би е непълна и трябва да се добави допълнителен параметър или променлива към уравнението, което ще свърже всички наблюдения заедно. За да проверят тази хипотеза, учените търсят в миналото признаци за нарушаване на теорията за гравитацията.
Една такава работа е международното изследванетъмна енергия с помощта на 4-метровия телескоп Виктор Бланко в Чили. Резултатите от това наблюдение бяха представени през август на Международната конференция по физика на частиците и космология (COSMO’22) в Рио де Жанейро.
Участниците в проучването търсят доказателствафактът, че силата на гравитацията се е променяла през цялата история на Вселената или в далечното минало. За работата си те са използвали освен основния телескоп Blanco и данни от сателита Planck на Европейската космическа агенция.
Астрофизиците са изследвали изображения на галактики наналичието на по-фини изкривявания, дължащи се на кривината на пространството от тъмната материя - ефект, наречен слаби гравитационни лещи. Силата на гравитацията определя размера и разпределението на структурите на тъмната материя, а размерът и разпределението на свой ред определят колко извити ни изглеждат тези галактики.
Чрез измерване на всички тези параметри е възможно да се определи силатагравитация в далечни галактики. И тъй като светлината от тях отнема милиони и милиарди години, за да достигне до нас, по същество учените изследват как се е държала гравитацията в миналото.
Изследователите съобщиха, че вече са проучилигравитационни сили и форми в повече от 100 милиона галактики, но във всички експерименти наблюденията са напълно в съответствие с теорията на Айнщайн. Така че природата на тъмната енергия остава загадка.
Гравитационните лещи, подобно на това, което се вижда в първото изображение на Джеймс Уеб, помагат на учените да изследват тъмната материя и гравитацията в далечни системи. Изображение: NASA, ESA, CSA, STScI
Какво следва?
Теорията на Айнщайн все още е в сила, но изследователитепродължете да тествате силата му. Нов опит да се обясни природата на тъмната енергия ще бъде направен от сателитни мисии. Европейската космическа агенция планира да изстреля космическия телескоп Euclid през 2023 г. Инструментите на устройството ще измерват червените отмествания на галактики, разположени на различни разстояния от Земята, и ще изследват връзката между червеното отместване и разстоянието.
Разработчиците очакват Euclid да можепогледнете 8 милиарда години назад. С помощта на свръхпрецизни измервания той ще може да разбере как са стояли нещата с гравитацията, тъмната материя и тъмната енергия в тази епоха.
НАСА планира подобна мисия:през 2027 г. планира да изстреля космическия телескоп Nancy Grace Roman в околоземна орбита. Изследователите вярват, че той ще може да изучава галактики, разположени на разстояние от 11 милиарда светлинни години и да изучава най-ранната вселена.
Прочетете още:
Първите изображения на подземната част на Марс изненадаха учените
От тялото до устата: учените разбраха откъде идват зъбите
Къде на планетата ще бъде най-опасно до 2100 г.: публикувана е нова карта
Корица: Дизайн Алекс Мителман, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, чрез Wikimedia Commons