Energia întunecată în cosmologie este un tip ipotetic de energie introdus în modelul matematic al Universului pentru a explica expansiunea sa observată cu accelerație [1] .
Există trei opțiuni pentru a explica esența energiei întunecate:
Începând cu 2020, cu dovezi observaționale de încredere, cum ar fi măsurătorile CMB care confirmă existența energiei întunecate, modelul Lambda-CDM este acceptat ca standard în cosmologie [3] .
Alegerea finală între opțiuni necesită măsurători foarte lungi și foarte precise ale ratei de expansiune a Universului pentru a înțelege cum se modifică această rată în timp. Rata de expansiune a Universului este descrisă de ecuația cosmologică de stare . Rezolvarea ecuației de stare pentru energia întunecată este una dintre cele mai stringente probleme ale cosmologiei observaționale moderne [3] .
Conform datelor observațiilor observatorului spațial Planck publicate în martie 2013, masa-energie totală a Universului observabil constă în energie întunecată cu 68,3% și materie întunecată cu 26,8% [4] [5] [6] .
Observațiile supernovelor de tip Ia făcute la sfârșitul anilor 1990 au concluzionat că expansiunea universului se accelerează în timp. Aceste observații au fost apoi susținute de alte surse: măsurători CMB , lentile gravitaționale , nucleosinteză Big Bang . Toate datele obținute se încadrează bine în modelul lambda-CDM .
Distanțele față de alte galaxii sunt determinate prin măsurarea deplasării lor spre roșu . Conform legii lui Hubble , mărimea deplasării spre roșu a luminii din galaxiile îndepărtate este direct proporțională cu distanța până la aceste galaxii. Relația dintre distanță și deplasarea spre roșu se numește parametrul Hubble (sau, nu tocmai exact, constanta Hubble).
Cu toate acestea, valoarea parametrului Hubble în sine trebuie stabilită mai întâi într-un fel, iar pentru aceasta este necesar să se măsoare valorile deplasării spre roșu pentru galaxii, distanțe până la care au fost deja calculate prin alte metode . Pentru a face acest lucru, în astronomie, se folosesc „lumânări standard”, adică obiecte a căror luminozitate este cunoscută. Cel mai bun tip de „lumânare standard” pentru observațiile cosmologice sunt supernovele de tip Ia (toate stelele de flare Ia la aceeași distanță ar trebui să aibă aproape aceeași luminozitate observată; este de dorit să se corecteze pentru rotația și compoziția stelei originale). Comparând luminozitatea observată a supernovelor din diferite galaxii, se pot determina distanțele până la aceste galaxii.
La sfârșitul anilor 1990, s-a descoperit că în galaxiile îndepărtate, distanța până la care era determinată de legea lui Hubble, supernovele de tip Ia au o luminozitate sub ceea ce ar trebui să aibă. Cu alte cuvinte, distanța până la aceste galaxii, calculată folosind metoda „lumânărilor standard” (supernove Ia), se dovedește a fi mai mare decât distanța calculată pe baza valorii stabilite anterior a parametrului Hubble. S-a ajuns la concluzia că universul nu se extinde doar, ci se extinde cu accelerație.
Modelele cosmologice existente anterior presupuneau că expansiunea universului încetinește. Ei au pornit de la presupunerea că partea principală a masei Universului este materia - atât vizibilă, cât și invizibilă ( materia întunecată ). Pe baza noilor observații care indică o accelerare a expansiunii, a fost postulată existența unei forme necunoscute de energie cu presiune negativă (vezi ecuațiile de stare ). Ei au numit-o „energie întunecată”.
Ipoteza existenței energiei întunecate (oricare ar fi aceasta) rezolvă și așa-numita „problema masei invizibile ”. Teoria Big Bang a nucleosintezei explică formarea elementelor chimice ușoare precum heliu , deuteriu și litiu în Universul timpuriu . Teoria structurii pe scară largă a Universului explică formarea structurii Universului: formarea stelelor , quasarilor , galaxiilor și clusterelor de galaxii. Ambele teorii sugerează că densitatea materiei barionice și a materiei întunecate este de aproximativ 30% din densitatea critică necesară pentru formarea unui univers „închis”, adică corespunde densității necesare pentru ca forma universului să fie plană. . Măsurătorile recente ale CMB a Universului de către satelitul WMAP arată că spațiu-timp în Univers are într-adevăr o curbură globală foarte aproape de zero. Prin urmare, o formă necunoscută anterior de energie invizibilă trebuie să reprezinte 70% lipsă din densitatea Universului. [7]
Esența energiei întunecate este subiect de controversă. Se știe că este foarte uniform distribuit în spațiu [7] , că experimentează repulsie gravitațională în loc de atracție gravitațională [7] , că are o densitate scăzută și nu interacționează vizibil cu materia obișnuită prin tipuri fundamentale cunoscute de interacțiune - cu excepția de gravitaţie. Densitatea energiei întunecate nu depinde de timp (în ultimii 8 miliarde de ani, densitatea acesteia s-a schimbat cu cel mult 10%). [7] Deoarece densitatea ipotetică a energiei întunecate este scăzută (de ordinul a 10 -29 g/cm³), este puțin probabil să fie detectată de un experiment de laborator. Energia întunecată nu poate avea decât un efect atât de profund asupra universului (cuprinzând 70% din toată energia), deoarece umple uniform spațiul gol (altfel).
Cea mai simplă explicație este că energia întunecată este pur și simplu „costul existenței spațiului”: adică orice volum de spațiu are o energie fundamentală, inerentă. De asemenea, uneori este numită energie de vid, deoarece este densitatea de energie a vidului pur . Aceasta este constanta cosmologică , numită uneori „termen lambda” (de la numele literei grecești folosită pentru a o desemna în ecuațiile relativității generale ) [8] . Introducerea constantei cosmologice în modelul cosmologic standard bazat pe metrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker a condus la modelul modern de cosmologie cunoscut sub numele de model lambda-CDM . Acest model este în acord cu observațiile cosmologice disponibile.
Multe teorii fizice ale particulelor elementare prezic existența fluctuațiilor de vid , adică dotează vidul tocmai cu acest tip de energie. Valoarea constantei cosmologice este estimată de ordinul a 10 −29 g/cm³, sau aproximativ 1,03 keV /cm³ (aproximativ 10 −123 în unități Planck ) [9] .
Constanta cosmologică are o presiune negativă egală cu densitatea sa de energie. Motivele pentru care constanta cosmologică are o presiune negativă provin din termodinamica clasică. Cantitatea de energie conținută în „cutia cu vid” a volumului este egală cu , unde este densitatea de energie a constantei cosmologice. O creștere a volumului „cutiei” ( pozitiv) duce la o creștere a energiei sale interne, ceea ce înseamnă că efectuează o muncă negativă. Deoarece munca efectuată prin modificarea volumului este egală cu , unde este presiunea, atunci este negativă și, de fapt, (coeficientul care leagă masa și energia este egal cu 1) [2] .
Conform teoriei generale a relativității , gravitația depinde nu numai de masă (densitate), ci și de presiune , iar presiunea are un coeficient mai mare decât densitatea. Presiunea negativă ar trebui să dea naștere la repulsie, antigravitație și, prin urmare, provoacă accelerarea expansiunii Universului [10] .
Cea mai importantă problemă nerezolvată a fizicii moderne este aceea că majoritatea teoriilor câmpului cuantic , bazate pe energia vidului cuantic , prezic o valoare enormă a constantei cosmologice - multe ordine de mărime mai mari decât valoarea admisibilă conform conceptelor cosmologice. Formula obișnuită a teoriei cuantice a câmpului pentru însumarea oscilațiilor în vid în punctul zero ale câmpului (cu o limită în numărul de undă al modurilor de vibrație corespunzătoare lungimii Planck ) dă o densitate uriașă de energie în vid [11] [12] . Această valoare, așadar, trebuie compensată printr-o acțiune, aproape egală (dar nu tocmai egală) în valoare absolută, dar având semnul opus. Unele teorii ale supersimetriei (SATHISH) necesită ca constanta cosmologică să fie exact zero, ceea ce, de asemenea, nu ajută la rezolvarea problemei. Aceasta este esența „ problema constantei cosmologice ”, cea mai dificilă problemă a „ ajustării fine ” în fizica modernă: nu s-a găsit nicio modalitate de a deduce din fizica particulelor elementare valoarea extrem de mică a constantei cosmologice definită în cosmologie. Unii fizicieni, inclusiv Steven Weinberg , consideră așa-numitul. „ Principiul antropic ” este cea mai bună explicație pentru echilibrul energetic fin observat în vidul cuantic.
În ciuda acestor probleme, constanta cosmologică este în multe privințe cea mai economică soluție la problema unui univers care se accelerează. O singură valoare numerică explică multe observații. Prin urmare, actualul model cosmologic general acceptat (modelul lambda-CDM ) include constanta cosmologică ca element esențial.
O abordare alternativă a fost propusă în 1987 de către fizicianul teoretician german Christoph Wetterich [13] [14] . Wetterich a pornit de la presupunerea că energia întunecată este un fel de excitații asemănătoare particulelor unui anumit câmp scalar dinamic numit „chintesență” [15] . Diferența față de constanta cosmologică este că densitatea chintesenței poate varia în spațiu și timp. Pentru ca chintesența să nu se poată „strânge” și să formeze structuri la scară mare urmând exemplul materiei obișnuite (stelele etc.), trebuie să fie foarte ușoară, adică să aibă o lungime de undă Compton mare .
Nicio dovadă a existenței chintesenței nu a fost încă descoperită, dar o astfel de existență nu poate fi exclusă. Ipoteza chintesenței prezice o accelerare puțin mai lentă a universului decât ipoteza constantei cosmologice. Unii oameni de știință cred că cele mai bune dovezi pentru chintesență ar fi încălcările principiului de echivalență al lui Einstein și variațiile constantelor fundamentale în spațiu sau timp. Existența câmpurilor scalare este prezisă de modelul standard și teoria corzilor , dar acest lucru ridică o problemă similară cazului constantei cosmologice: teoria renormalizării prezice că câmpurile scalare trebuie să dobândească o masă semnificativă.
Problema coincidenței cosmice ridică întrebarea de ce a început accelerarea universului la un anumit moment în timp. Dacă accelerația în Univers ar fi început înainte de acest moment, stelele și galaxiile pur și simplu nu ar fi avut timp să se formeze, iar viața nu ar avea șanse să apară, cel puțin în forma pe care o cunoaștem. Susținătorii „ principiului antropic ” consideră acest fapt cel mai bun argument în favoarea construcțiilor lor. Cu toate acestea, multe modele de chintesență prevăd așa-numitul „comportament de urmărire” care rezolvă această problemă. În aceste modele, câmpul de chintesență are o densitate care se adaptează la densitatea radiației (fără a ajunge la ea) până în momentul desfășurării Big Bang-ului, când se formează echilibrul materiei și radiațiilor. După acest punct, chintesența începe să se comporte ca „energia întunecată” dorită și în cele din urmă domină universul. Această dezvoltare stabilește în mod natural o valoare scăzută pentru nivelul de energie întunecată.
Ecuația de stare (dependența presiunii de densitatea energiei) pentru chintesență: unde (pentru vid ).
Au fost propuse și alte tipuri posibile de energie întunecată: energia fantomă , pentru care densitatea de energie crește cu timpul (în ecuația de stare a acestui tip de energie întunecată ), și așa-numita „chintesență cinetică”, care are forma de energie cinetică non-standard . Au proprietăți neobișnuite: de exemplu, energia fantomă poate duce la o ruptură mare [16] a Universului.
În 2014, datele din proiectul BOSS ( Baryon Oscillation Spectroscopic Survey ) au arătat că, cu un grad ridicat de acuratețe, valoarea energiei întunecate este o constantă [17] .
Există o ipoteză că nu există deloc energie întunecată, iar expansiunea accelerată a Universului se explică prin proprietățile necunoscute ale forțelor gravitaționale , care încep să se manifeste la distanțe de ordinul mărimii părții vizibile a Universului. [3] .
Se estimează că expansiunea accelerată a universului a început cu aproximativ 5 miliarde de ani în urmă. Se presupune că înainte această expansiune a fost încetinită din cauza acțiunii gravitaționale a materiei întunecate și a materiei barionice . Densitatea materiei barionice în universul în expansiune scade mai repede decât densitatea energiei întunecate. În cele din urmă, energia întunecată începe să preia controlul. De exemplu, atunci când volumul universului se dublează, densitatea materiei barionice se reduce la jumătate, în timp ce densitatea energiei întunecate rămâne aproape neschimbată (sau exact neschimbată - în cazul constantei cosmologice).
Dacă expansiunea accelerată a Universului continuă la nesfârșit, atunci, ca urmare, galaxiile din afara Superclusterului nostru de galaxii vor trece mai devreme sau mai târziu dincolo de orizontul evenimentelor și vor deveni invizibile pentru noi, deoarece viteza lor relativă va depăși viteza luminii . Aceasta nu este o încălcare a relativității speciale . De fapt, este imposibil să definim chiar „viteza relativă” în spațiu-timp curbat. Viteza relativă are sens și poate fi determinată numai în spațiu-timp plat, sau pe o secțiune suficient de mică (care tinde spre zero) a spațiu-timp curbat. Orice formă de comunicare dincolo de orizontul evenimentelor devine imposibilă și orice contact între obiecte se pierde. Pământul , Sistemul Solar , Galaxia noastră și Superclusterul nostru vor fi vizibile unul pentru celălalt și, în principiu, accesibile prin zboruri spațiale, în timp ce restul Universului va dispărea în depărtare. În timp, Superclusterul nostru va ajunge într-o stare de moarte termică , adică scenariul presupus pentru modelul anterior, plat al Universului, cu predominanța materiei, se va îndeplini.
Există mai multe ipoteze exotice despre viitorul universului. Unul dintre ei sugerează că energia fantomă va duce la așa-numitul. extensie „divergentă”. Acest lucru implică faptul că forța de expansiune a energiei întunecate va continua să crească la nesfârșit până când va depăși toate celelalte forțe din univers. Conform acestui scenariu, energia întunecată rupe în cele din urmă toate structurile legate gravitațional ale Universului, apoi depășește forțele interacțiunilor electrostatice și intranucleare , sparge atomii, nucleii și nucleonii și distruge Universul într-un Big Rip .
Pe de altă parte, energia întunecată se poate disipa sau chiar se poate schimba de la respingătoare la atractivă. În acest caz, gravitația va prevala și va aduce Universul la „ Big Crunch ”. Unele scenarii presupun un „model ciclic” al universului. Deși aceste ipoteze nu sunt încă confirmate de observații, ele nu sunt complet respinse. Un rol decisiv în stabilirea destinului final al universului (dezvoltat conform teoriei Big Bang ) trebuie să fie jucat de măsurători precise ale vitezei de accelerație.
Expansiunea accelerată a Universului a fost descoperită în 1998 în timpul observațiilor supernovelor de tip Ia [18] [19] . Pentru această descoperire , Saul Perlmutter , Brian P. Schmidt și Adam Riess au primit în 2006 Premiul Shao pentru Astronomie și Premiul Nobel pentru Fizică în 2011 .
Articole rezonante care critică energia întunecată apar în mod regulat și, deși autorii se exprimă de obicei cu reținere în lucrările în sine, în adnotările și comentariile adresate jurnaliștilor își prezintă concluziile într-o formă exagerată [20] , de exemplu, ca punând sub semnul întrebării chiar existența energiei întunecate:
O parte a lucrării care critică energia întunecată se bazează pe faptul că s-a constatat că spectrele supernovelor de tip Ia , care au fost considerate la fel, sunt de fapt diferite; în plus, forma de supernova de tip Ia, care este relativ rară astăzi, a fost mult mai comună mai devreme în istoria universului :
Există diverse instalații experimentale ale căror sarcini includ detectarea energiei întunecate (ele sunt implicate în principal în căutarea particulelor WIMP și, din 2018, nu au primit niciun rezultat pozitiv): [28]
Cu toate acestea, opinia predominantă în comunitatea științifică este că prezența energiei întunecate este un fapt stabilit. [22] Deși nu există observații directe ale energiei întunecate, observațiile CMB de către observatorul spațial Planck sunt cele mai puternice dovezi ale existenței energiei întunecate. [20] Multe rezultate observaționale, în special oscilațiile barionului [20] și lentila gravitațională slabă , nu găsesc explicații convingătoare decât în cadrul modelului Lambda-CDM .
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|
Cosmologie | |
---|---|
Concepte și obiecte de bază | |
Istoria Universului | |
Structura Universului | |
Concepte teoretice | |
Experimente | |
Portal: Astronomie |
modelul standard | Fizica dincolo de|
---|---|
Dovezi | |
teorii | |
supersimetrie | |
gravitația cuantică | |
Experimente |