Всем здравствуйте! В последний раз мы говорили о тёмной материи, которая выступает невидимым источником массы во Вселенной.
Сегодня мы поговорим о другой, но не менее интересной сущности — тёмной энергии.
Расширение Вселенной
В начале 19-го века была опубликована работа Фридриха Шеллинга, которая утверждала, что Солнечная система была получена путём экспансии материи. Эта работа стала прародителем той теории, которую мы называем Теорией большого взрыва. Она гласит, что в самом начале наша Вселенная была бесконечно малой точкой, которая в какой-то момент взорвалась и всё содержимое начало расширяться и расширяется до сих пор.
Почему оно ускоряется?
В начале 21-го века учёные замеряли красное смещение до сверхновых звёзд типа Ia (которые известны за свою постоянную яркость) и установили, что Вселенная расширяется быстрее, чем это предполагают вычисления на бумаге. Теория о существовании тёмной энергии появилась ещё при Эйнштейне, но в 2000-х это было подтверждено экспериментально. Наблюдения подтвердили существование сущности, которая пронизывает всю Вселенную и ускоряет её расширение.
Что такое тёмная энергия?
Во время работы над Общей теорией относительности (1907-1915 гг.), которая описывает гравитацию, Альберт Эйнштейн использовал некую константу — заглавную лямбда (Λ). С её помощью учёный добился статичной Вселенной в уравнениях и тем самым нашёл решение так называемого уравнения поля.
Однако принятое решение уже сильно расходится с тем, что наблюдается в реальном мире. Только что мы сказали, что Вселенная расширяется, так почему же она должна быть статичной?
Вселенная сама по себе — не пустая единица. В ней находится множество тел, звёзд и чёрных дыр, все из которых имеют гравитационные поля. Гравитация по закону всемирного тяготения имеет стягивающее действие. При таких условиях Вселенная бы замедлялась и в конечном итоге остановилась. Однако на практике не было замечено никакого замедления. Именно поэтому в качестве противовеса и была введена Λ — космологическая константа.
Сам же Эйнштейн описывает лямбду, как "энергию пустоты". По его мнению, она имеет отрицательную плотность. Подобное свойство могло влиять на процессы расширения Вселенной и формирования галактик, т.к. главным фактором для образования структур является гравитация. Отталкивающее свойство, вызванное отрицательной плотностью в какой-то степени замедляло это формирование.
Согласно той же Общей теории относительности на гравитацию тела влияет не только его масса, но и давление внутри него. Это прослеживается в тензоре энергии-импульса. В случае с энергией пустоты согласно модели "Вселенная Фридмана", отрицательная плотность расширяет Вселенную, если она расширяется и сжимает Вселенную, если она уже сжимается. Иными словами, эта самая масса пустоты усиливает какое-либо уже происходящее действие силы Вселенной.
Энергия вакуума, которая состоит из пары частица-античастица, вносит большой вклад в состав космологической константы. По определению так называемые виртуальные частицы создаются и аннигилируются, создавая квантовые колебания на пустом месте.
Однако и здесь не обошлось без проблем. Наблюдаемое значение энергии вакуума сильно расходится с теоретической точкой минимальной энергии, которая предсказывается квантовой теорией поля. Иными словами, минимальная энергия системы на бумаге не совпадает с той, которая наблюдается в реальном мире. Эта проблема до сих пор является нерешённой.
68.3% во Вселенной
В сумме согласно популярной космологической модели ΛCDM тёмная энергия составляет 68.3% от всего соотношения массы/энергии. Несмотря на то, что плотность тёмной энергии очень низка (7 * 10^-30 г/см³), она доминирует во Вселенной. Связано это в первую очередь с тем, что она однородна по всему объёму наблюдаемой Вселенной. Это сущность, которую ещё предстоит изучить, ведь на данный момент никто даже не знает, из чего она состоит. Изучение тёмной энергии станет ответом на вопрос, почему же Вселенная ускоряет своё расширение.