Протягом десятиліть теорія гравітації, що випливає із загальної теорії відносності,
У цей час дослідники вперше виявили, щоповедінка далеких галактик відповідає прогнозам теорії гравітації. Спотворення простору-часу від далеких скупчень і зіркових систем виявилися набагато сильнішими, ніж маса таких об'єктів, розрахована на основі спостережень.
Пізніше, наприкінці 90-х дослідникивиявили ще один незвичайний факт. Виявляється, швидкість розширення Всесвіту зростає з часом. Цей ефект кинув ще один виклик теорії Альберта Ейнштейна: гравітаційні дії матерії мали уповільнювати розширення Всесвіту, а не прискорювати його. Сучасна космологічна модель - модель ΛCDM - знайшла відповіді на ці питання, але вчені не залишають надій кинути виклик генію з першої половини XX століття.
Чому вчені гадають, що Всесвіт розширюється прискорено?
Прискорене розширення Всесвіту було відкрито1998 року в результаті роботи одразу двох незалежних команд: Проекту космології наднових та Групи пошуку наднових з високим Z. Обидві дослідні групи вивчали прискорення розширення Всесвіту, аналізуючи далекі зіркові вибухи.
Наднові типу la мають майже однаковустандартну світність. Спостерігаючи яскравість таких об'єктів можна визначити, наскільки далеко вони знаходяться. Крім того, при розширенні Всесвіту світло від далеких об'єктів зміщується в червоний бік спектру. Вимірюючи червоне усунення, можна визначити, наскільки розширився Всесвіт з моменту виникнення наднової.
Астрофізики під час проведення цихекспериментів були впевнені, що Всесвіт повинен розширюватися з уповільненням, після чого процес повинен був або зупинитися, або перейти до стиснення.
Розширення Всесвіту пізніше було підтвердженоіншими способами. Вимірювання космологічного мікрохвильового фону (слідів Великого вибуху), ефектів гравітаційного лінзування та аналіз баріонних акустичних коливань підтверджують гіпотезу про розширення Всесвіту.
У 2007 році обом командам, які відкрили ефект розширення Всесвіту, було присуджено премію Грубера в галузі космології, а в 2011 троє з учасників були удостоєні Нобелівської премії з фізики.
Прискорене розширення Всесвіту. Зображення: NASA, STSci, Ann Feild
Как объяснить ускоренное расширение?
Щоб пояснити результати спостережень (розширення Всесвіту та сильніше спотворення простору-часу від далеких галактик), вчені запровадили дві нові моделі — темну матерію та темну енергію.
Темна матерія – це гіпотетична формаматерії, яка, як вважають вчені, становить приблизно 85% матерії у Всесвіті. Її називають темною, бо вона не взаємодіє з електромагнітним полем. Іншими словами, така матерія не відбиває, не поглинає і не випромінює світло та інші електромагнітні хвилі. Проте, вона має власну масу, отже, і гравітаційний вплив. Додавання темної матерії в космологічні моделі дозволяє пояснити потужнішу гравітацію далеких галактик.
Темна енергія – це гіпотетична формаенергії, на відміну від темної матерії про неї поки що мало що відомо. Вважається, що темна енергія дуже однорідна, не дуже щільна і не може взаємодіяти з жодною з фундаментальних сил, крім гравітації. Цю енергію пов'язують із енергією вакууму. Якщо припустити, що в міру розширення Всесвіту і збільшення вільного простору ця енергія зростає, можна пояснити перехід від рівномірного до прискореного розширення.
Хоча гіпотеза темної енергії добре описуєспостерігаються у Всесвіті процеси, саме його наявність і взаємодія лише з гравітаційним полем важко пов'язати із загальною теорією відносності та теорією гравітації Ейнштейна.
Як перевірити роботу теорії?
Деякі вчені вважають, що якщо теоріяГравітація не може пояснити темну енергію, можливо, вона неповна, і потрібно додати до рівняння додатковий параметр або змінну, яка пов'яже всі спостереження воєдино. Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені шукають у минулому ознаки порушення теорії гравітації.
Одна з таких робіт – міжнародне дослідженнятемної енергії з використанням 4-метрового телескопа Віктора Бланка в Чилі.
Учасники дослідження шукали доказитого, що сила гравітації змінювалася протягом усієї історії Всесвіту, або в далекому минулому. Для своєї роботи вони використовували, окрім основного телескопа Бланка, дані супутника «Планк» Європейського космічного агентства.
Астрофізики досліджували зображення галактик нанаявність більш тонких спотворень через викривлення простору темною матерією – ефекту, що називається слабким гравітаційним лінзуванням. Сила гравітації визначає розмір та розподіл структур темної матерії, а розмір та розподіл, у свою чергу, визначають, наскільки викривленими здаються нам ці галактики.
Вимірюючи всі ці параметри, можна визначити силугравітації у далеких галактиках. А оскільки світло від них доходить до нас через мільйони та мільярди років, по суті, вчені досліджують, як поводилася гравітація в минулому.
Дослідники повідомили, що вже вивченігравітаційні сили та форми у понад 100 млн галактик, але у всіх експериментах спостереження повністю відповідають теорії Ейнштейна. Отже, природа темної енергії залишається загадкою.
Гравітаційне лінзування, як те, що видно на першому зображенні "Джеймса Вебба", допомагає вченим досліджувати темну матерію та гравітацію в далеких системах. Зображення: NASA, ESA, CSA, STScI
Що далі?
Теорія Ейнштейна поки що встояла, але дослідникипродовжують перевіряти її на міцність. Нову спробу пояснити природу темної енергії зроблять супутникові місії. 2023 року Європейське космічне агентство планує запустити космічний телескоп «Евклід». Прилади пристрою будуть вимірювати червоні зміщення галактик, що знаходяться на різній відстані від Землі, та досліджувати зв'язок червоного зміщення та відстані.
Розробники очікують, що «Евклід» зможезазирнути на 8 млрд. років тому. За допомогою надточних вимірів він зможе дізнатися, як були справи з гравітацією, темною матерією і темною енергії в цю епоху.
Схожу місію планує НАСА:2027 року воно планує вивести на орбіту Землі космічний телескоп Nancy Grace Roman. Дослідники вважають, що він зможе вивчити галактики, розташовані на відстані в 11 млрд світлових років і вивчити ранній Всесвіт.
Читати далі:
Перші знімки підземної частини Марса здивували вчених
З тіла до рота: вчені зрозуміли, звідки з'явилися зуби
Де на планеті буде найнебезпечніше до 2100 року: опубліковано нову карту
На обкладинці: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons