Астрофизик Брэд Такер из Австралийского национального университета рассказал о новом исследовании взрывающихся звезд, показавшем, что темная энергия более сложна, чем предполагали ученые ранее. Источник: The Conversation.
Из чего состоит Вселенная? Этот вопрос волновал астрономов на протяжении сотен лет.
В течение последней четверти века ученые считали, что «нормальные» вещества, такие как атомы и молекулы, из которых состоит почти все, что вы видите вокруг себя (включая вас самих), составляют лишь 5% от Вселенной. Еще 25% – это «темная материя», неизвестное вещество, которое мы не способны увидеть, но можем его обнаружить по тому, как оно влияет на обычную материю посредством гравитации.
Остальные 70% космоса состоят из «темной энергии». Обнаруженная в 1998 году, именно эта неизвестная форма энергии, как полагают ученые, заставляет Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью.
В новом исследовании, которое вскоре будет опубликовано в The Astronomical Journal, группа астрофизиков смогла измерить свойства темной энергии более детально, чем когда-либо прежде. Их результаты показывают, что это может быть гипотетическая вакуумная энергия, впервые предложенная Эйнштейном, либо что-то более странное и сложное, меняющееся со временем.
Что такое темная энергия
Когда Альберт Эйнштейн более века назад разработал общую теорию относительности, он понял, что его уравнения показывают, будто Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Ему это показалось неправильным и поэтому он добавил «космологическую константу» – своего рода энергию, присущую пустому пространству – чтобы уравновесить силу гравитации и сохранить статичность Вселенной.
Позже, когда работы Генриетты Суон Ливитт и Эдвина Хаббла подтвердили действительность расширения Вселенной, Эйнштейн решил отказаться от принятой им космологической постоянной, охарактеризовав ее введение «величайшей ошибкой».
Однако в 1998 году сразу двумя независимыми группами исследователей было установлено, что расширение Вселенной на самом деле убыстряется. Это означает, что в конце концов может существовать нечто очень похожее на космологическую постоянную Эйнштейна – то, что мы сейчас называем темной энергией.
После этих первоначальных измерений ученые использовали сверхновые и другие космические объекты для измерения природы темной энергии. До сих пор эти результаты показывали, что плотность темной энергии во Вселенной выглядит постоянной.
Это означает, что сила темной энергии остается неизменной, даже когда Вселенная растет – она не истончается по мере того, как Вселенная становится больше. Астрофизики измеряют это числом, называемым «w». Космологическая постоянная Эйнштейна фактически установила w равным –1, и более ранние наблюдения показывали, что это было приблизительно справедливо.
Взрывающиеся звезды как космические маркеры
Как ученым измерить то, что находится во всей Вселенной? Насколько быстро растет Вселенная? Поскольку не существует настолько длинных рулеток или гигантских весов, используются «стандартные светочи»: объекты в космосе, яркость которых известна.
Представьте, что сейчас ночь, и вы стоите на длинной дороге с фонарными столбами вдоль нее. На каждом из столбов светит одинаковая по яркости лампа, но то лампы, что находятся дальше, горят более тускло, чем расположенные вблизи вас.
Это происходит потому, что свет тускнеет пропорционально расстоянию. Если известная мощность лампы и допустимо измерить ее яркость, то можно рассчитать дистанцию до фонарного столба, на котором она горит.
Для астрономов такой космической лампой служит взрывающаяся звезда, называемая сверхновой типа Ia. Это белый карлик, зачастую поглощающий вещество соседней звезды и растущий, пока не достигнет массы, превышающей массу нашего Солнца в 1,44 раза, после чего эта сверхновая взрывает. Измерив, насколько быстро затухает ее взрыв, ученые могут определить, насколько ярким он был и, следовательно, насколько далеким от Земли.
Темная энергия
Продолжающееся исследование темной энергии – это масштабная попытка измерить этот тип энергии. Более 400 ученых на разных континентах работают вместе на протяжении почти десяти лет, беспрестанно наблюдая за секторами южного неба.
Многократные наблюдения позволяют выявить изменения, такие как новые взрывающиеся звезды. Чем чаще выполняются эти наблюдения, тем эффективнее можно замерять эти изменения, и чем большая область исследуется, тем больше сверхновых удается обнаружить.
Первые результаты, указывающие на существование темной энергии, базировались на паре десятков сверхновых. В последних результатах исследования темной энергии используются данные порядка 1500 взрывающихся звезд, что дает значительно большую точность.
С помощью специально сконструированной камеры, выставленной на 4-метровом телескопе «Бланко» в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо (CTIO) в Чили, в ходе исследования были обнаружены тысячи сверхновых разных типов. Чтобы выяснить, какие из них относятся к типу Ia (именно этот тип звезд необходим для измерения расстояний), используется 4-метровый англо-австралийский телескоп в обсерватории «Сайдинг-Спринг», базирующейся в Новом Южном Уэльсе.
В ходе австралийских измерений удалось разделить цвета в свете сверхновых. Это позволило астрофизикам увидеть «отпечатки пальцев» в отдельных взрывающихся звездах.
Сверхновые типа Ia обладают некоторыми уникальными особенностями, например, не содержат водорода и кремния. А при наличии достаточного количества выявленных сверхновых машинное обучение позволило нам эффективно классифицировать тысячи этих звезд.
Сложнее космологической постоянной
После более чем десятилетней работы и изучения свыше 1500 сверхновых типа Ia, результаты исследования темной энергии позволили получить новое лучшее значение «w». Установлено, что w = -0,80 ± 0,18, т.е. оно находится где-то между -0,62 и -0,98.
Это, отмечает автор статьи, очень интересный результат. Оно близко к –1, но не совсем так. Чтобы быть космологической постоянной или энергией пустого пространства, оно должно быть ровно –1.
Что это нам дает? Понимание о необходимости более сложной модели темной энергии, возможно, такой, в которой эта загадочная энергия все же меняется за время существования Вселенной.