Темна енергія — загадка століття. Наукова стаття для допитливих.

Американський астрофізик Едвін Габбл понад 80 років тому відкрив явище віддаляння галактик одна від одної зі швидкістю пропорційною відстані між ними. Використовуючи найбільший на той час телескоп із діаметром дзеркала 2,5 м (обсерваторія Маунт-Вільсон у Каліфорнії, США) він визначив відстані до найближчих галактик за допомогою знайдених у них пульсуючих зірок класу цефеїд, які є своєрідними реперами.

Порівнявши отримані відстані до галактик із їх швидкостями віддаляння від нас, що їх визначив В.М. Слайфер унаслідок зміщення ліній у спектрах цих галактик, Габбл встановив закон, згідно з яким швидкість віддаляння окремої галактики дорівнює відстані до неї, помноженій на сталу величину, яка має розмірність, обернену до часу. Згодом, після підтвердження цього явища іншими астрофізиками, цю закономірність назвали законом Габбла, а сталу — сталою Габбла.

Варто зазначити, що це відкриття не було цілковитою несподіванкою — за сім років до цього його передбачив російський математик Олександр Фрідман, застосувавши рівняння загальної теорії відносності Айнштайна для опису еволюції однорідного ізотропного Всесвіту. Із отриманих роз'вязків випливало, що такий Всесвіт може або розширюватися, або стискатися. Що відбувається з нашим Всесвітом — можна встановити тільки за даними спостережень. Габбл виявив, що він розширюється. Прихильники "вічного і незмінного" — опоненти ідеї розширення — глузливо назвали таке розширення Великим вибухом, який за нинішніми розрахунками стався 14 мільярдів років тому. Ця назва прижилася, а під тиском численних експериментальних доказів дискусії вщухли.

Але оскільки діє закон всесвітнього тяжіння, чи інакше гравітація, то таке розширення повинно відбуватися зі сповільненням: кінетична енергія розлітання галактик витрачається на "переборювання" сил гравітації (аналогічно до каменя, підкинутого вертикально вгору). Спроби визначити це сповільнення впродовж багатьох років були невдалими. Його значення дало б змогу встановити середню густину матерії, яка заповнює Всесвіт. Проблема полягала в тому, що для цього необхідно спостерігати дуже далекі галактики, блиск яких надто малий, тож виділити в них окремі джерела випромінювання — зорі, їх скупчення, газові туманності тощо — неможливо навіть за допомогою найпотужніших наземних телескопів. Окрім того, світло від них рухається до нас кілька мільярдів років, через що ми бачимо їх значно молодшими за нашу та сусідні галактики, а отже, джерела випромінювання в них відрізняються за своєю випромінювальною здатністю. Тобто до них не можна застосувати методи визначення відстані, які застосовують астрофізики до близьких галактик.

Ситуація змінилася із виведенням 1990 року на навколоземну орбіту космічного телескопа імені Габбла з діаметром головного дзеркала 2,4 м. Одне з головних завдань, для якого створювали цей найдорожчий у світі телескоп — дослідження далеких галактик для уточнення закону Габбла та визначення прискорення розширення Всесвіту. Результати досліджень, які проводили дві наукові групи — Співпраця з далеких наднових і Космологічний проект з наднових — майже десять років, опубліковано 1998 року, практично одночасно. Уже із назв наукових груп видно, що об'єктами досліджень були наднові зорі в далеких галактиках. Надновими називають зорі, які зненацька спалахують і сяють, як цілі галактики із сотнею мільярдів зір. Таке трапляється із деякими зорями на кінцевій стадії їх еволюції. Частота спалахів невелика — в одній галактиці з числом зір близько чотирьохсот мільярдів наднова з'являється в середньому раз у тридцять років. Спалах триває всього кілька днів, стадія згасання — кілька місяців. Це означає, що їх виявлення є складним завданням, тому кожна наднова — велика подія для астрономів. Серед них є особливий тип наднових — коли вибухає карликова зоря на стадії горіння в її ядрі атомів вуглецю і кисню (тип Іа). Виявляється, спалахи таких зір відбуваються наче під кальку — хід зміни блиску з часом і поява характерних ліній свічення окремих хімічних елементів суворо пов'язані й однакові в усіх наднових цього типу. Тобто за спектром наднової Іа можна встановити її світність (випромінювальну здатність) незалежно від того, в якій галактиці вона розміщена. Така властивість є надзвичайно цінною для астрономії — вона дає змогу за виміряним потоком енергії на Землі визначити відстань до неї, а отже, й до галактики, в якій розташована. За спектрами галактик можна визначити червоне зміщення ліній, а на основі відомого співвідношення "видима зоряна величина — червоне зміщення" — знайти прискорення, з яким розбігаються галактики. За допомогою космічного телескопа імені Габбла, а також найпотужніших наземних телескопів донині в далеких галактиках виявили та дослідили близько двох сотень наднових цього типу. Результати виявилися вражаючими: замість очікуваного сповільнення розбігання галатик взаємним гравітаційним притяганням вони розбігаються із прискоренням — швидкість віддалення галактик із часом зростає! Якщо повернутися до аналогії з каменем, підкинутим угору, то це виглядає так: замість того, щоб сповільнюватися, рухаючись угору, він прискорюється. Це означає, що у Всесвіті, крім звичайної речовини, для якої діє закон всесвітнього тяжіння, є невідома фізична сутність, що має властивість гравітаційного відштовхування. За виміряним прискоренням вдалося встановити її густину енергії: 72 відсотки від повної середньої густини енергії Всесвіту. Тобто вона є домінантою за середньою густиною компонентою нашого Всесвіту.

Це відкриття збурило науковий світ. Астрономи кинулися перевіряти, шукати заперечення або незалежні підтвердження. За десять років, що минули від часу відкриття, проведено кілька десятків спостережень, отримано терабайти нових даних, опубліковано кілька тисяч статей практично в усіх провідних наукових журналах світу. Найвагомішими серед них є дані космічного експерименту WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — зонд мікрохвильової анізотропії імені Вілкінсона, опубліковані в березні 2008 року. Вони не тільки підтвердили існування такої складової з високою ймовірністю, але й дали змогу надійно виміряти її густину з точністю до двох відсотків. Інші експерименти добре узгоджуються з даними WMAP. Таким чином, у нашому Всесвіті є Щось, що проявляє себе на космологічних відстанях протилежним знаком гравітаційної дії і є визначальним у динаміці розширення Всесвіту як цілого. Проте воно не впливає на гравітаційне притягання між тілами Сонячної системи та зорями в галактиках. Це справді нова сутність, не подібна до всього того, з чим мали справу до цього часу фізики у своїх лабораторіях і астрономи в царині зір і галактик. Дослідження властивостей цієї складової, встановлення її природи стали ключовою задачею сучасної фізики та космології.

Варто зазначити, однак, що її відкриття не було повною несподіванкою для теоретиків. Ще 1917 року Альберт Айнштайн доповнив рівняння загальної теорії відносності, які він отримав у 1916-му, сталим доданком, що було рівноцінним уведенню сили, яка урівноважувала гравітаційне притягання звичайної матерії. Цей доданок згодом назвали космологічною сталою. Сила розштовхування, яку вона описує, пропорційна цій сталій і відстані між галактиками. Проявляє вона себе тільки на космологічних масштабах.

Введенням цієї сталої Айнштайн прагнув отримати стаціонарну модель однорідного ізотропного Всесвіту, яким він тоді собі його уявляв. Олександр Фрідман 1922-го довів, однак, що навіть із космологічною сталою загальний розв'язок рівнянь Айнштайна нестаціонарний. Айнштайн погодився з аргументами Фрідмана і згодом відмовився від космологічної сталої, сказавши, що її введення було найбільшою помилкою в його житті. Про це згадує Георгій Гамов у книзі "Моя світова лінія". Проте космологічна стала продовжувала "жити", і астрофізики не раз зверталися до неї, щоб розв'язати проблеми, які виникали під час інтерпретації даних спостережувальної космології, і відкидали, коли знаходили прийнятніші пояснення. Нині космологічна стала цілком задовільно пояснює виявлене прискорене розширення Всесвіту. Скидається на те, що "промах" Айнштайна є насправді геніальною здогадкою, яка знайшла експериментальне підтвердження через 81 рік! Але яка природа цієї сталої чи, точніше, відповідної їй густини енергії, що зумовлює цю розштовхувальну силу? Фізики міркують над цим уже майже сто років, але задовільної відповіді поки що немає. Намагання збагнути фізичну суть космологічної сталої породили низку запитань, відповіді на які можуть бути важливими для побудови теорії єдиних взаємодій і походження Всесвіту. Саме тому цей напрям досліджень є пріоритетним у фізиці й астрофізиці, до нього залучають найпотужніші наукові колективи, зокрема українські.

Що ж це за запитання? Космологічна стала незмінна з часом — її значення сьогодні таке ж, як і в момент Великого вибуху. Тобто густина енергії "космологічного поля", пов'язаного з нею, завжди однакова. Але якщо сьогодні вона приблизно втричі більша за густину матерії, то в перші миті розширення, коли формувалися відомі нам елементарні часточки, вона була на 120 порядків (!) меншою. Тобто у ранню епоху еволюції Всесвіту, коли формувалися фізичні взаємодії, її густина енергії становила 0,000......1 (120 нулів перед одиницею) від густини енергії інших фізичних полів. Це дуже мала величина, практично нуль. Однак, якщо б перед одиницею було 115 чи 100 нулів, то це призвело б до фатальних наслідків — Всесвіт почав би прискорено розширюватися ще до того, як утворилися галактики, зорі, планети і життя на них. Зростаючий темп розлітання не дав би їм сформуватися. У такому Всесвіті нічого б не було — ні планет, ні зір, ні нас із вами. Тому виникає проблема пояснення такого точного налаштування значення космологічної сталої в ранньому Всесвіті. Спонтанно чи випадково таке налаштування не могло відбутися, принаймні задовільного пояснення цього явища фізики поки що не мають. З іншого боку, якщо інтерпретувати космологічну сталу як властивість вакууму (енергія його основного стану), то з'являються розбіжності із квантовою електродинамікою, яка нині є чи не найточніше експериментально перевіреним розділом фізики. Можливо, експерименти на Великому адронному колайдері, які розпочнуть цього року, проллють світло на проблему густини енергії фізичного вакууму. Попри це, фізики й астрофізики активно шукають альтернативу космологічній сталій.

Такою альтернативою може бути новий тип фізичного поля (інколи називають п'ята сутність — квінтесенція), яке однорідно заповнює наш Всесвіт і розпирає простір. Сьогодні його густина енергії переважає середню густину енергії всіх інших полів і частинок, що зумовлює спостережуване прискорене розширення Всесвіту на космологічних масштабах. Але в минулому вона могла бути близькою до густини інших фізичних полів, або зникати цілком, залежно від моделі такого поля. В арсеналі теоретиків багато варіантів таких полів, зокрема скалярні поля. Одне з них — поле Гіґґса — сподіваються відкрити з допомогою того ж Великого адронного колайдера.

Залежно від фізичних властивостей, впливу на звичайну матерію, поведінки в минулому та майбутньому скалярні поля діляться на кілька класів (класичне скалярне поле, тахіонне, k-есенція, фантомне поле, квінтомне тощо). Проте жоден із них ще не має вирішальних переваг ні теоретичного характеру, ні підтверджень чи суперечностей із спостереженнями. Загальна назва таких полів — темна енергія (не плутати з темною матерією, про яку окремо йтиметься). Для встановлення природи темної енергії необхідно докладно вивчити її вплив на динаміку розширення Всесвіту в різні епохи його еволюції, формування структури Всесвіту й анізотропії реліктового випромінювання, щоб знайти ключові тести для кожного класу.

Інший напрям — узагальнення теорії гравітації Айнштайна на більше число просторово-часових вимірів. Наш 3+1 вимірний світ у такій моделі — це наче тонка плівка у просторі-часі більшої розмірності, на якій "зайві виміри" компактифіковані. Всі матеріальні поля і взаємодії зосереджено в цій плівці, а гравітація є проявом дії багатовимірного простору. Багато властивостей спостережуваного Всесвіту в цій моделі з'являються доволі природно, в тому числі і прискорене розширення. Цей напрямок, який започаткували ще у 20-х роках минулого століття німецькі математики Калуцо і Кляйн, у наш час бурхливо розвивається й обіцяє відкрити нам незвичні властивості світу в інших вимірах.

Ще один напрям — модифікація теорії гравітаційної взаємодії. Загальна теорія відносності перевірена прямими експериментами тільки в межах Сонячної системи. Астрономічні спостереження об"єктів із поза її меж вимагає введення поняття темної матерії та темної енергії чи космологічної сталої. Можна спробувати модифікувати закон всесвітнього тяжіння і закони Ньютона таким чином, щоб задовольнити тести в межах Сонячної системи і водночас пояснити дані спостережень позагалактичної астрономії без темної матерії та темної енергії. Поки що роботи в цьому напрямі тривають...

Дослідників надихає поведінка космічних апаратів Піонер-10 і Піонер-11 — в їх русі начебто виявлено відхилення, які не пояснюються законом всесвітнього тяжіння та загальною теорією відносності. Але навіть у разі прориву в цьому напрямі проблема темної матерії та темної енергії не зникає, бо існуючі сьогодні варіанти теорії Великого об'єднання передбачають і існування частинок із властивостями темної матерії, і скалярних полів із властивостями темної енергії.

Джерело