Уперше стаття опублікована в Львівській газеті (четвер, 05, 2009 року, № 6 (498))
Темна енергія — загадка століття
Американський астрофізик Едвін Габбл (його портрет на світлині ліворуч — Ред.) 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.
-
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.
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 (його зображення на світлині ліворуч — Ред.) 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.
