Темная энергия в итоге разнесет наш мир в клочья

Присутствие темной энергии сегодня удается уловить лишь косвенно – по гравитационным эффектам. Фото с сайта www.static.arstechnica.net

Открытие «на кончике пера» темной энергии (dark energy) на стыке веков было осуществлено астрономическими наблюдениями и практически застало физиков врасплох. Физики-теоретики стали выдвигать гипотезы относительно интерпретации и природы темной энергии. Перечислим некоторые из них: dark energy – это энергия квантового вакуума; гипотеза квинтэссенции немецкого физика-теоретика К. Веттериха; темная энергия – это космологическая константа, имеющая отрицательное давление и, возможно, даже обладает антигравитационным эффектом...

Контуры коллаборации

Созданная два года тому назад коллаборация ученых из шести стран мира – США, Англии, Германии, Швейцарии, Испании и Бразилии (DES) включает несколько сотен ученых из более 20 научных центров и университетов, где, безусловно, главенствующую роль играют американские ученые. О масштабности предстоящих научных исследований говорят как само название проекта, так и перечисление американских участников – всемирно известных научных центров: Национальная лаборатория Фирми (Fermilab), Национальная обсерватория оптической астрономии, Национальная Лоуренсовская лаборатория в Беркли, Национальная лаборатория ядерных ускорителей SLAC, Аргоннская Национальная лаборатория, а также полдюжины ведущих университетов: Техасский университет, Университет штата Огайо, Калифорнийский университет в Санта-Крузе и Стэнфордский университет.

В состав Коллаборации DES активно подключились также крупные научно-образовательные центры Великобритании: Лондонский университет, университеты Кембриджа и Эдинбурга, Ноттенгема и Портсмута. Среди участников – группа ученых из Центра фундаментальной физики Мюнхенского университета, из Института космических исследований Испании, Института физики высоких энергий Мадрида, а также нескольких бразильских научных центров и университетов.

Руководителем DES назначен крупный американский ученый Джош Фриман. Все исследовательские данные DES будут аккумулироваться в Национальном центре суперкомпьютеров Университета штата Иллинойс. Управление центра будет выпускать ежегодные предварительные обзоры, заключительные выводы будут опубликованы после завершения пятилетней программы в 2018–2019 годах.

Впрочем, важнейшие итоги исследования рассмотрят на ежегодных конференциях всех участников, а в период между ними предварительные итоги и статьи будут опубликованы на сайте DES, за исключением тех сообщений и выводов, которые руководство сочтет преждевременным для публикации или, более того, секретными до поры до времени.

Одним словом, американцы замахнулись на получение очередной Нобелевской премии, на этот раз – за исследование сущности темной энергии. В принципе это вполне естественно. Разгадка структуры темной энергии может стать крупнейшим событием науки ХХI века, как это было в истекшем веке с квантовой революцией.

Главная задача DES – обзор и прослеживание основных динамических процессов расширения Вселенной и развития крупных космических структур, таких как галактические кластеры, сверхновые звезды. Комплексные исследования будут проводиться по многим направлениям. Для этих целей уже создано около десятка рабочих групп, в частности группы изучения кластеров галактик, крупных космических структур, по изучению сверхновых, группа по изучению эволюции галактик, отдельные группы по изучению слабых и сильных взаимодействий в космосе.

Кроме того, будут действовать постоянные советы по выработке тактики и стратегии исследований, вспомогательные отделы по калибровке, по фотометрике красного смещения, по обеспечению сбора и анализа полученных данных, по обеспечению и развитию электронных, оптических и технологических возможностей этого сложного комплексного проекта.

В сентябре 2013 года коллаборация DES приступила к постоянным наблюдениям почти по всем направлениям крупномасштабных исследований. Программа рассчитана на пять лет,  завершающий этап – конец 2018 года.

Охота за фотонами

Исследования DES охватывают значительную часть небосвода Южного полушария, что в принципе совпадает с пространством наблюдения известного телескопа Южного полюса (SPT). Существенно и то, что технические методы поиска галактических кластеров SPT и DES практически совпадают. Это дает возможность для сравнительного анализа итогов двух проектов в этой конкретной сфере.

В распоряжении коллаборации имеется немалое количество современного оборудования. Центральная научная база, если так можно выразиться, находится в Межамериканской обсерватории в Чили (CTIO), где используется четырехметровый телескоп Бланко. Важнейшей инновационной технологией является специально разработанная сверхчувствительная оптическая камера DECam. Вес этой камеры около 4 тонн!

DECam в состоянии осуществить широкий обзор небосвода Южного полушария, охватывая пространство, в 20 раз превышающее размер Луны, как мы ее наблюдаем с Земли. Огромная камера состоит из трех частей – оптической, механической и вычислительной. Этот прибор способен обеспечить астрофизиков самыми четкими снимками в пяти диапазонах, включая ультрафиолетовый и красный спектры видимого диапазона.

Электронно-вычислительная часть камеры снабжена 250-микронными чипами, что позволяет зафиксировать взаимодействия фотонов со значительной ослабленной энергией. В астрономическом плане это имеет огромное значение – появляется возможность обнаружить космические объекты с большим красным смещением, стало быть, открыть большее число галактических кластеров.

Светит суперновая звезда

Важнейшим направлением исследований DES является детальное изучение «поведения» сверхновых звезд типа 1а (Supernova). Программа DES предусматривает изучение основных параметров нескольких тысяч сверхновых звезд и возможность зарегистрировать яркость порядка 3500 таких космических объектов. Причем эти объекты находятся на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Земли. Дальнейшие исследования по этой программе, как полагают ученые, могут привести к открытию примерно 5–6 тыс. сверхновых звезд, две трети из них могут дать ценнейшие сведения для подробного анализа многих факторов темной энергии.

Тут нужно сделать небольшой исторический экскурс относительно сверхновых. В 1998–1999 годах несколько американских ученых – А. Райсс, С. Перлмуттер и Б. Шмидт – опубликовали результаты своих наблюдений за сверхновыми звездами типа 1а и пришли к однозначному выводу: Вселенная расширяется с ускорением. Ими было обнаружено, что в удаленных галактиках сверхновые звезды имеют яркость ниже той, которая им полагается по законам физики, причем расстояние до них было определено по закону Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

Как известно, ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную массу Вселенной составляют барионная материя и невидимая темная материя (dark matter). На основании упомянутых новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением, которую и назвали темной энергией. Темп расширения Вселенной, как полагают ученые, на 65–70% обусловлен сегодня именно темной энергией.

Коллаборация DES, делая ставку на изучение сверхновых звезд, надо полагать, исходит из того, что, если 15 лет тому назад две группы американских ученых на основе наблюдений за тремя-четырьмя десятками таких звезд пришли к выводу об ускорении расширения Вселенной и что главной виновницей этого является темная энергия, то, безусловно, изучение около 10 тыс. самых удаленных сверхновых приведет к определенному пониманию сущности и ряда характеристик темной энергии. При этом ученые в данный момент отталкиваются от ряда существующих среди физиков предполагаемых характеристик темной энергии.

Портрет темной энергии

Во-первых, гипотеза о существовании темной энергии (чем бы она ни являлась) решает так называемую проблему невидимой массы или энергии. Теория ядерного синтеза после Большого взрыва объясняет образование в ранней Вселенной легких химических элементов (гелий, литий, водород), что и привело к формированию крупномасштабной структуры Вселенной: галактик и галактических кластеров.

Эта устоявшаяся теория предполагает, что плотность обычной, барионной, материи и темной материи составляет лишь около 30% от критической плотности Вселенной. Следовательно, неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70% плотности Вселенной. По уточненным данным космического телескопа «Планк», общая масса Вселенной состоит из темной энергии на 68,3%, темной материи – 26,8% и обычной барионной материи – 4,9%.

Во-вторых, как считают ученые, гипотетическая плотность темной энергии невелика: она примерно в 100 млрд раз меньше мощности сильных ядерных взаимодействий (около 200 млн электронвольт).

В-третьих, ученые предполагают, что темная энергия равномерно распределена по всей Вселенной.

В-четвертых, ученые пришли к предварительным выводам, что плотность темной энергии была такой же, как сегодня, и в период ранней Вселенной. А плотность барионной и темной материи вот уже несколько миллиардов лет постоянно убывает. Поэтому, через 20–30 млрд лет плотность темной энергии может занять доминирующие позиции, что может в конечном счете вызвать взрыв Вселенной!

Но все это пока гипотезы, требующие весомых подтверждений.

Еще одно направление исследований DES – барионные акустические осцилляции (Baryon Acoustic Oscillations, BAO). BAO – это акустические волны, образовавшиеся вскоре после рождения Вселенной, когда она была заполнена плазмой барионов и фотонов (см. «НГ-науку» от 12.02.14). Ученые, занятые в коллаборации DES, полагают, что BAO – важнейший инструмент современной космологии, особенно для выяснения возникновения и эволюции темной энергии. Этот же метод можно использовать для выяснения объема и роли dark energy в различные периоды развития Вселенной.

DES планирует с использованием BAO более точную фиксацию красного смещения около 300 млн галактик, что многократно – почти в 20 раз – превышает предыдущие фотометрические измерения. Исследователи предполагают, что такие многомасштабные и более точные измерения наряду с определением яркости взрыва около 10 тыс. сверхновых звезд могут внести решающий вклад в устранение неясных моментов в определении плотности и распространении темной энергии и ее роли в эволюции нашей Вселенной.

Располагая пока единственным в мире чувствительным оборудованием, ученые DES намерены зарегистрировать самые отдаленные кластеры галактик с массой порядка 5х1013 массы Солнца! Коллаборация надеется в течение предстоящих четырех-пяти лет зарегистрировать примерно 170 тыс. галактических кластеров.

Участники DES рассчитывают, что им удастся разобраться в соотношении между гравитацией и темной энергией, в частности проверить гипотезу о том, что темная энергия обладает антигравитационным, отталкивающим эффектом. Ученые планируют зафиксировать свет, исходящий от самых отдаленных галактик и квазаров, подвергшийся эффекту гравитационной кривизны из-за воздействия других, более мощных космических объектов. Последние, как предполагают, и состоят из темной материи. Их структуру невозможно зафиксировать стандартными астрономическими методами.