Идеята, че съдбата на Вселената се управлява от видими сили, бе изоставена с откритието на тъмната материя. Сега знаем, че еволюцията на Вселената
се влияе от нещо още по-загадъчно – тъмната енергия. [МУЗИКА] ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО В предишните два епизода говорихме за това как съдбата на Вселената
може да се опише с помощта на ОТО на Айнщайн чрез уравненията на Фридман. Но има проблем. Наблюденията показват, че Вселената се разширява вечно. Но освен това е и плоска.
А това е възможно само, ако въведем нов вид енергия, представена от космологичната константа. Наричаме я „тъмна енергия“. Но какво всъщност прави тъмната енергия?
Отговорът идва от друго доказателство за съществуването ѝ. Което от своя страна произлиза от независим опит за определянето дали Вселената ще колапсира обратно. Измервайки плътността на Вселената
е единият начин за определянето на съдбата ѝ, защото бъдещето разширяване зависи от плътността. Но така зависи и досегашното разширяване. Всъщност историята на разширяването
ще ни покаже и бъдещето му, дори и без да вземем предвид галактиките. Тази история е скрита във всеки фотон, който идва от дълбините на Вселената и достига телескопите ни.
Когато пространството се разширява, то разтегля светлината, която пътува през него. Разширяването увеличава дължината на електромагнитните вълни,
в резултат на което наблюдаваме „червено отместване“. Космологично червено отместване. Ако знаем колко време е пътувал даден фотон през разширяващото се пространство, то червеното отместване на фотона ще ни покаже сумарното разширяване,
което се е случило през това време. Но как да определим времето на пътуване на светлината? Знаем скоростта ѝ, значи трябва да определим пропътуваното разстояние, реалното физическо пространство, преминато от фотона, за да ни достигне.
За да определим историята на разширяването на Вселената, трябва да измерим връзката между червено отместване и разстояние. Разгледахме връзката подробно в този епизод. Но нали червеното отместване показва разстоянието?
Да, в известен смисъл, но само ако има връзка между него и разстоянието. Червеното отместване е количеството разширяване на Вселената по време на пътуването на фотона, а разстоянието е количеството пространство,
пропътувано от фотона. Двете са свързани с историята на разширяването на Вселената. Измервайки много отмествания и разстояния по независим способ, ще получим тази история.
Няма проблеми. Продто да измерим отместванията и разстоянията до много неща в пространството. Чакайте малко. Въпреки, че не е трудно да измерим червеното отместване,
разстоянието е една от най-трудните величини в астрономията, особено за толкова отдалечени обекти, за които разширяването би било осезателно за времето на пътуване на светлината им до нас –
отдалечени на милиарди светлинни години. Знаете ли какво би било полезно? Ако нещо друго се е случило на тази светлина, така че да е отбелязало по независим начин пропътуваното разстояние.
Момент. Има такова нещо. Далечните обекти са по-бледи от близките. Трябва ни само някакъв светлинен източник,
чиято истинска, абсолютна яркост ни е известна. По този начин може да разберем колко далеч е обектът по това колко светлината му е отслабена. Наричаме такива вълшебни светлинни източници „стандартни свещи“.
Тук имаме късмет. Има един вид супернови, които са много ярки и същевременно с много добре определима абсолютна яркост, светимост.
Това е супернова от тип Ia или супернова от бяло джудже. Вземете бяло джудже, остатък от ядрото на мъртва звезда с неголяма маса, като нашето Слънце, и го оставете да поглъща материя от звезда-спътник в двойна система.
Щом джуджето достигне критична маса, настъпва неконтролируем ядрен синтез и то експлодира в супернова. Тези звезди избухват с много сходни и много високи светимости и са идеалните стандартни свещи.
Ето и експеримента: наблюдавайте звездите как експлодират из космоса. Щом намерите супернова от тип Ia, ще знаете разстоянието до нея и червеното ѝ отместване.
Ако червеното отместване за дадено разстояние е голямо, то Вселената се е разширила много за периода на пътуване на светлината. Това всъчност означава по-плътна Вселена. Защо?
Защото, ако отместванията са големи, то Вселената се е разширила много по-бързо в миналото, което означава, че нещо е забавило разширяването до днешната му стойност.
Това нещо би било висока плътност на материята и енергията, плътност която би причинила обратен колапс на Вселената в бъдеще. И така, ако имаме по-бързо разширяваща се Вселена в миналото, то гравитацията ѝ я е забавила между тогава и сега.
От друга страна, ако отместването за дадено разстояние е по-малко, то Вселената се е разширила по-малко за времето на пътуване на фотона. И по-ниска плътност би била небходима за обясняването на забавянето на разширяването на Вселената
до днешната му стойност. Най-ниски червени отмествания би имало, ако Вселената винаги се е разширявала с днешния темп. Ако почти няма материя, за да я забави.
Такава Вселена би се разширявала вечно. Може да обърнем логиката и да кажем, че при дадено червено отместване очакваме по-ярки, т.е. по-близки, супернови, в по-плътна, колапсираща Вселена.
И по-бледи и далечни в по-разредена, безкрайно разширяваща се Вселена. Два различни екипа от астрономи работиха години наред, измервайки супернови от тип Ia в галактики, отдалечени на милиарди св.г.,
за да измерят историята на разширяването на Вселената. Те очаквали това да им покаже дали Вселената ще се разширява вечно или ще колапсира. И какво открили? През 1998 двата екипа оповестиха, че Вселената
се е раширявала по-бавно в миналото, отколкото сега. Червените отмествания са прекалено малки. Или иначе казано, суперновите били по-бледи, отколкото очакваното, дори и за Вселена без никаква материя.
Това означава, че скоростта на раширяване всъщност се е увеличила, ускорила, докато светлината на суперновите е пътувала към нас. Откритието на ускоряващото се раширяване
на Вселената донесе на двата екипа нобеловата награда за 2011 г. и се смята за откриването на тъмната енергия. Както виждате, това наблюдение стана преди откритието на необяснимата нулева кривина на Вселената,
за която говорихме миналия път. Но това ускоряващо се разширяване може да бъде обяснено от същия параметър, космологичната константа, представяща тъмната енергия.
Като добавим космологичната константа към първото уравнение на Фридман, ще помирим лявата и дясната му страна. Освен това, неизменността на този член означава, че колкото по-голяма е Вселената,
толкова повече тъмна енергия има. Това ни позволява да интерпретираме космологичната константа като някакъв вид енергия, присъща на вакуума, свойство на празното пространство. И тя трябва накрая да се окаже определяща за еволюцията на Вселената.
Но защо трябва постоянна енергия на вакуума да води до ускоряване на разширяването? Да направим математическа разходка в далечното бъдеще, когато галактиките ще са толкова раздалечени,
че плътността на Вселената ще бъде практически нулева. Знаем, че такава Вселена е плоска, така че кривината също е нулева. За далечното бъдеще първото уравнение на Фридман изглежда така:
Виждате ли? Разширяването ще зависи единствено от космологичната константа. Означава ли това, че разширяването ще е с постоянна скорост? Не.
Тук не скоростта на раширяването, т.е. а-точка, е постоянна, цялото а-точка върху а е постоянно. Това се нарича също и параметър на Хъбъл и може да се разглежда, като времето за удвояване на Вселената.
Константата на Хъбъл е просто днешната стойност на параметъра на Хъбъл. Оачкваме параметърът на Хъбъл да намалява с времето. Но с положителна космологична константа, Вселената би достигнала до постоянен параметър на Хъбъл.
И така ще имаме постоянно време за удвояване. Това означава експоненциално ускоряващо се разширяване. Все още във Вселената има достатъчно материя, която да влияе на разширяването, но вече наблюдаваме такова,
за което тъмната енергия е определяща. Всъщност, Вселената се разширява ускорително от около 6 милиарда години. Това виждаме от измерванията ни на суперновите от тип Ia.
Ако космологичната константа остане постоянна, очакваме експоненциалното разширяване да продължи. Но ще се запази ли постоянно? Ще намалее ли или ще нарасне?
Всичко зависи от това, какво всъщност е тази енергия на вакуума. Но за това – в друг епизод на пространство-времето. В миналия епизод говорихме за това
как релативисткото описание на разширяването на Вселената изисква тъмна енергия. Вие зададохте прекрасни въпроси. Pravar Parekh посочва, че не можем наистина
да знаем, че Вселената е плоска, защото можем единствено да наблюдаваме малка част от нея. Това е напълно вярно. Не можем да премахнем кривината отвъд най-високата достигната точност,
която към момента е +/- 0,4% около идеалната плоскост. Вселената би могла да е с положителна или отрицателна кривина в тези рамки. Ако е положителна, това означава, че крайна но много, много голяма Вселена с обем
поне 250 пъти по-голям от наблюдаемата Вселена. Говорим за това в този епизод. Но кривината, необходима за да може първото уравнение на Фридман да е в съгласие с равновесието между разширяване
и плътност е много, много по-висока, отколкото наблюдаваната. Излиза, че дори и по-голямата Вселена да е закривена, пак имаме нужда от тъмната енергия.
Yeshwanth Vejendla иска да знае как може да сме сигурни в измерването на плътността на толкова огромна Вселена. Вселената има едно удобно свойство: в огромни мащаби е хомогенна,
така няма нужда да се измери плътността на цялата, а само на достатъчно много представителни области. От десетилетия правим измервания на яркости, червени отмествания, състав на звездите и др. в милиони галактики.
И дори те не покриват цялата наблюдаема Вселена. Но са достатъчно представителна извадка, за да кажем, че материята в цялата Вселена. е доста хомогенно разпределена.
Тези изследвания не измерват тъмната материя на галактическите купове, но все пак сме иамерили тъмната материя в достаъчно много, за да можем да екстраполираме. Thomas Waclav и притеснен от това, как добавяме неща в уравненията,
но когато теорията, в този случай ОТО, е толкова добре потвърдена по множество различни начини, а и добавянето на космологичната константа толкова добре поправя несъответствията,
то е най-вероятно тази добавка описва нещо реално. Както видяхме днес, космологичната константа разрешава два големи проблема. Така че, в известен смисъл е подходящо,
Е ние знаем, че във вселената има нещо още по-удивително, загадъчно и странно от тъмната материя – тъмната енергия.
Историята за всичко е заключена във всеки фотон, който засичаме, докато наблюдаваме вселената.
Въпреки, че имаме тази информация, изводите продължават да удивяват астрофизиците по целия свят, откритието на Реликтовото Излъчване промени представите ни за вселената, но тя… тя е по-удивителна отколкото някога сме си представяли.
Това видео е четвърта част от поредицата за Тъмна Енергия на PBS Space Time
Част 1/4: Ще се разширява ли вселената завинаги?
Част 2/4: Тъмната енегия изчезна ли?!
Част 3/4: Защо Вселената се нуждае от Тъмна Енергия?
Част 4/4: Какво наистина прави Тъмната Енергия? (тази статия)
Приятно гледане!
