петък, 26 май 2017 г.

Тъмна енергия

   В началото на 90-те години на миналия век едно нещо за разширението на вселената беше съвсем сигурно. Може да има достатъчна енергийна плътност за да се спре нейното разширение и да започне обратен процес на свиване, може и да има толкова малка енергийна плътност, че тя никога да не спре да се разширява, но беше сигурно, че гравитацията ще забавя разширението с течение на времето. Забавянето не беше наблюдавано, но теоретично вселената трябваше да се забавя. Тя е пълна с материя и привличащата сила на гравитацията събира всичката материя заедно. Тогава през 1998 година, космическият телескоп Хъбъл наблюдава много отдалечени избухвания на супернови, които показаха, че преди много време вселената всъщност се е разширявала по-бавно, отколкото днес. Това означава, че разширяването на вселената не се забавя под влияние на гравитацията, както всички смятаха, а напротив, то се ускорява. Никой не е очаквал това, никой не може да го обясни. Но нещо го причинява.
    Постепенно теоретиците са стигнали до три възможни обяснения. Може би това е в резултат на т.нар. "космологична константа", съдържаща се в дълго време отхвърляната версия на теорията за гравитацията на Айнщайн. Може би има някакъв странен вид енергиен флуид, който изпълва пространството. Може би има нещо сбъркано в теорията на относителността на Айнщайн и някоя нова теория може да включи новия вид поле, което създава това космическо ускорение. Теоретиците все още не знаят, кое е правилното обяснение, но те вече са дали име на това решение. То се казва тъмна енергия.
   Неизвестните неща около тъмната енергия са повече от известните. Ние знаем колко тъмна енергия има, защото знаем как тя влияе на разширението на вселената. Всичко друго обаче е пълна мистерия. Оказва се, че около 70% от вселената е тъмна енергия. Останалите 26% са друга мистериозна субстанция наречена тъмна материя и едва 4% са представени от видимата материя, от която са направени всички галактики, звезди и планети, които виждаме. 
   Едно от обясненията за тъмната енергия е, че тя е свойство на пространството. Алберт Айнщайн е бил първият, който е осъзнал, че празното пространство не е нищо. Пространството има много удивителни свойства, много от които едва започваме да разбираме. Първото свойство, което Айнщайн е открил е, че е възможна появата на повече пространство. Тогава версията на теорията на относителността, която съдържа "космологичната константа" прави второ предвиждане: празното пространство може да притежава своя собствена енергия. Тъй като тази енергия е свойство на самото пространство, тя няма да се разреди с неговото разширение. Доказателство за това е, че ускорението на вселената е функция от плътността на тъмната енергия и тъй като е установено, че тази плътност остава почти постоянна, следователно тъмната енергия не се разрежда с разширяването на космоса. С появата на повече ново пространство, повече от тази енергия на пространството ще се появява. Като резултат тази форма на енергията ще кара вселената да се разширява все по-бързо и по-бързо. За съжаление никой не разбира защо "космологичната константа" изобщо трябва да бъде там, още по-малко защо тя има точната стойност, причиняваща наблюдаваното ускорение на вселената. 
   Друго обяснение на това как пространството се сдобива с енергия идва от квантовата теория за материята. В тази теория "празното пространство" е пълно с временни (виртуални) частици, които постоянно се образуват и след това изчезват. Но когато физиците са се опитали да пресметнат колко енергия би придало това на пространството, отговорът излязъл грешен с много. Числото е излязло с 10^120 пъти по-голямо. Така мистерията продължила.
   Друго обяснение за тъмната енергия е, че тя е някакъв нов вид динамичен енергиен флуид или поле, което изпълва цялото пространство, но чиито ефект върху разширението на вселената е обратен на този на материята и нормалната енергия. Но ако това е отговорът, ние все още не знаем какво е всъщност, с какво взаимодейства и защо съществува. 
   Последната възможност е теорията на относителността на Айнщайн да не е вярна. Това би повлияло не само на разширението на вселената, но също би имало ефект върху начина, по който нормалната материя в галактиките и галактическите купове се държи. Този факт би дал път на това дали решението на проблема с тъмната енергия е нова теория за гравитацията или не: бихме могли да наблюдаваме как галактиките се събират в купове. Но ако се окаже, че се нуждаем от нова теория за гравитацията, какъв вид теория би трябвало да бъде тя? Как би описала коректно движението на телата в Слънчевата система, както знаем че го прави теорията на Айнщайн, и все пак да ни даде различното предвиждане за вселената, от което се нуждаем? Има теории кандидати, но никоя от тях не е пълна. 
   Това, от което се нуждаем за да намерим решението на проблема - свойство на пространството, нов динамичен флуид или нова теория за гравитацията - е събирането на повече и по-качествени данни.
   Космолозите пресмятат, че ускорението е започнало преди около 5 милиарда години. Смята се, че разширяването преди това се е забавяло поради привличащото влияние на тъмната материя и барионите. Плътността на тъмната материя в една разширяваща се вселена намалява по-бързо от колкото тъмната енергия и накрая евентуално тъмната енергия започва да доминира. Когато обемът на вселената се е удвоил, плътността на тъмната материя е намаляла на половина, докато плътността на тъмната енергия е останала почти непроменена (тя е напълно постоянна в случая на "космологичната константа"). 
   Ако ускорението продължи за неопределено време, крайният резултат ще бъде, че галактиките извън местния суперклъстер ще имат скорост на линията на погледа, която нараства постоянно с времето и накрая ще бъде далеч надвишаваща тази на светлината. Това не е в нарушение на специалната теория на относителността, тъй като понятието "скорост" използвано тук е различно от скоростта в отправната инерциална система, която си остава ограничена до под скоростта на светлината за масивните обекти. Тъй като параметърът на Хъбъл намалява с течение на времето, всъщност може да има случаи, когато галактики, които се отдалечават от нас по-бързо от светлината, ще успяват да излъчат сигнал, който евентуално да достигне до нас. Все пак поради ускоряващото се разширяване е ясно, че все някога повечето галактики ще пресекат един вид космологичен хоризонт на събитията и тогава всяка излъчена от тях светлина след тази точка, няма да може да достигне до нас в който и да е момент в безкрайното бъдеще, защото светлината никога няма да достигне точката където нейната "специфична скорост" в посока към нас да надхвърли скоростта на отдалечаване на галактиката от нас. Предполагайки, че тъмната енергия е константа (космологичната константа), сегашното разстояние на този космологичен хоризонт на събитията е около 16 милиарда светлинни години. Това означава, че сигнал от събитие, настъпило в настоящето евентуално би могъл да достигне до нас в бъдещето, ако събитието е отдалечено на по-малко от 16 милиарда светлинни години от нас, но сигналът никога не би ни достигнал, ако събитието е на повече от 16 милиарда светлинни години от нас. 
   Докато галактиките се приближават до пресичането на този космологичен хоризонт на събитията, светлината от тях ще става все повече и повече отместена към червеното до точката, където дължината на вълната става твърде голяма за да се засече на практика и ще изглежда, че галактиката е изчезнала напълно. Земята, Млечният Път и суперклъстерът Дева ще останат почти необезпокоявани, докато останалата част от вселената се отдалечава и изчезва от погледа. В този сценарий локалният суперклъстер ще претърпи топлинна смърт, точно както се е смятало за плоската, доминирана от материята вселена, преди измерванията на космическото ускорение. 

Няма коментари:

Публикуване на коментар