[Перевод] Спросите Итана №59: что такое тёмная энергия?

Вселенная, конечно, расширяется, и это расширение ускоряется. Но что мы знаем об этом процессе кроме простого названия «тёмная энергия»?

Выбирая между отчаянием и энергией, я выберу последнее
— Джон Китс

Всю неделю вы напрягали мозг в попытках задать глубокий и загадочный вопрос о Вселенной, и мы получили множество великолепных вопросов – жаль, что я могу выбрать лишь один из них. На этой неделе честь достаётся Пиуш Гупте, которая спрашивает:

Мы узнали, что тёмная энергия составляет примерно 70% от энергии Вселенной. У нас есть доказательства её существования благодаря разным наблюдениям. И она действительно влияет на эволюцию Вселенной. Но что есть тёмная энергия? Имеем ли мы хоть какое представление? Есть для неё какие-либо приемлемые модели?

И у нас правда есть пара хороших идей, но давайте для начала сверим наши знания.

Первое, что нужно принять – концепцию пространства-времени, а также самую важную идею общей теории относительности: количество и тип материи и энергии во Вселенной неразрывно связаны с эволюцией пространства-времени по мере движения Вселенной во времени. До Эйнштейна считалось, что пространство и время постоянны и фиксированы. С одной стороны, есть пространство, которое можно представить как статичную трёхмерную сетку, а с другой — время, отдельный фиксированный континуум, через который все точки пространства двигаются одновременно.

В ОТО всё это меняется сразу двумя способами – и оба очень важны.

Во-первых, пространство и время нельзя отделить друг от друга. Все объекты двигаются через пространство-время друг относительно друга. Именно из представления о том, что имеет значение не только ваше положение в пространстве и времени, но и ваша скорость, то есть движение через пространство и время, вытекает название теории относительности. Если мы с вами находимся в одной точке пространства-времени, но вы двигаетесь относительно меня со значительной скоростью, тогда мы по-разному двигаемся не только через пространство, но и через время. Именно отсюда проистекает идея о том, что часы идут с разными скоростями для наблюдателей из разных систем отсчёта, а также парадокс близнецов.

Поэтому, пространство и время не являются абсолютными и независимыми друг от друга. Все объекты двигаются как через пространство, так и через время, и если вы двигаетесь через пространство быстрее, чем кто-то другой, вы двигаетесь через время медленнее, чем он. Поэтому вы, улетев в ракете, двигающейся со скоростью 99% от скорости света на 9,9 световых лет, затем развернувшись и вернувшись со скоростью 99% от скорости света обратно, обнаружите, что все на Земле постарели на 20 лет, а вы – всего на 3 года.

Второе отличие состоит в том, что пространство-время, где вы сейчас живёте – описывающее всю Вселенную – отличается от существовавшего в тот момент, когда вы начали читать это предложение. Вселенная со временем расширяется, и скорость расширения определяется разными типами материи и энергии, присутствующими сейчас во Вселенной. Скорость расширения со временем меняется, поскольку плотность энергии, или количество материи и энергии на единицу объёма, у материи и излучения падает по мере расширения Вселенной.

Но кроме материи и излучения во Вселенной есть и другие вещи; существует множество других игроков, включая:

• топологические дефекты
• космические струны
• границы доменов
• присущая пространству кривизна
• присущая пространству энергия
• переменное поле, у которого могут быть любые свойства

Что в ОТО здорово, так это ясность её предсказаний: нам всего лишь надо измерить расширение Вселенной со временем, и мы узнаем всё про то, какие есть типы материи и энергии, каковы их пропорции, и с какой степенью уверенности можно говорить, что они именно такие, как мы себе их представляем.

Наблюдения наши идут из трёх источников: во-первых, измерения расстояний до удалённых объектов, типа звёзд, галактик и сверхновых. Измеряя видимую яркость объектов, и сравнивая её с их изначальной, известной нам, яркостью, мы можем рассчитать расстояние до них. Кроме того, можно измерить их красное смещение, что даёт нам представление о расширении Вселенной с того момента, как свет был ими испущен. И эта комбинация даёт нам возможность понять, как расширение Вселенной менялось со временем.

Второй метод – измерение различных флуктуаций в микроволновом фоновом излучении. Из-за особенностей взаимодействия материи и энергии в расширяющейся Вселенной, и из-за того, что остаточное излучение Большого взрыва не рассеивалось на ионизированной материи, поскольку Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, мы можем получить снимок состояния Вселенной, в котором она находилась очень давно. Но весь этот свет путешествовал до нас 13,8 миллиарда лет, и испытывал красное смещение по мере расширения Вселенной, что даёт нам ещё одно измерение всей космической истории расширения.

Наконец, можно изучать структуры Вселенной самых больших масштабов. Из-за великого космического соревнования, продолжающегося всё время с рождения Вселенной – между гравитацией, притягивающей материю и формирующей сжимающиеся структуры, и расширением, которое расталкивает всё на части – мы можем изучать размеры, масштабы, плотности структур, а также их эволюцию на длительных промежутках времени, что и даёт нам третий метод измерения.

Комбинируя все три метода, можно проверить их связность и точность, показав, что все они дают один и тот же результат, совпадающий со всеми данными. И у меня для вас прекрасные новости: всё совпадает!

С такими инструментами мы можем узнать, из чего состоит Вселенная, при этом подсчитав уровень нашей уверенности в этих цифрах. Сейчас считается, что её состав такой:

• 0,01% — фотоны, или излучение
• 4,9% — обычная материя на основе протонов, нейтронов, электронов
• 27% — тёмная материя, включая нейтрино, которых от неё есть примерно 0,1%, а остальной её состав пока неясен
• 68% — тёмная энергия

Так что же это за «тёмная энергия» такая?

Насколько можно судить из наблюдений за эволюцией этой формы энергии, она неотличима от космологической константы. В ОТО космологическая константа присуща пространству, поэтому при расширении Вселенной и появлении нового пространства между галактиками, плотность тёмной энергии не уменьшается, хотя плотность всех остальных как раз падает! Именно поэтому расширение Вселенной ускоряется не только сейчас – оно продолжает делать это последние 6 миллиардов лет.

В квантовой теории поля космологическая константа эквивалентна нулевой энергии квантового вакуума, то есть наблюдаемый эффект, возможно, связан с квантовыми полями Вселенной и гравитацией, хотя как это выразить в цифрах – мы пока не представляем.

Нужно также признать возможность того, что тёмная энергия не является космологической константой: она могла быть слабее (или сильнее) в прошлом, или может стать слабее (или сильнее) в будущем. Но по мере совершенствования методов наблюдений ограничения этих возможностей стали весьма строги.

Параметризировать изменение тёмной энергии во времени очень легко – до первого порядка – с параметром уравнения состояния w. Если w = -1,0, тогда в нашем распоряжении появляется космологическая константа. Если w = -1/3, мы имеем кривизну пространства; если w = -2/3, тогда границы доменов, и в принципе параметр вообще может странным образом меняться во времени.

Тёмная энергия постоянна, когда w_a = 0, w₀ = -1, при этом, если значение w₀ меньше значения w_a, то тёмная энергия со временем усиливается.

Проще всего принять, что её значение постоянно, и сейчас полученные данные дают нам значение w = -1,02 ± 0,08, что, в общем, довольно сильно намекает на то, что это на самом деле космологическая константа, или энергия, присущая пространству, или нулевая энергия квантового вакуума, которая сама по себе больше нуля. Если вдруг выяснится, что w < -1,0, Вселенная закончит жизнь Большим разрывом – этот удивительный вариант мы рассматривали совсем недавно.

Текущей задачей астрономов XXI века (а возможно, и следующих веков) является выяснение, выполняется ли уравнение w = -1,0000 с произвольной точностью и со всё увеличивающимся количеством цифр после запятой. А задачей теоретиков является выяснение вопроса, что же это означает для Вселенной, или как подсчитать это значение, исходя из ОТО или квантовой теории поля. Пока что все данные указывают на космологическую константу – но заранее никогда нельзя знать. Это может оказаться скаляром, тензором, или динамическим полем, с более сложным поведением, чем мы пока видим. Но также оно может оказаться простой энергией, присущей пространству, и при отсутствии опровергающих это предположение наблюдений лучше ставить именно на этот вариант.

Спасибо за шикарный вопрос, Пиуш, и за возможность, появившуюся у всех нас, изучить ещё немножко силу и источник энергии Вселенной, про который известно меньше всего. Предстоит ещё многое узнать, но даже, несмотря на то, что эта тема пока является одной из величайших загадок, известно про неё уже очень много! Присылайте свои вопросы, чтобы получить шанс прочесть ответ на ваш вопрос.