Всеволод Чабанець
Слабке випромінювання з раннього Всесвіту може допомогти розгадати таємницю загадкової сили, що прискорює розширення космосу. Йдеться про темну енергію — невидиму складову Всесвіту, яка не випромінює світла, не поглинає його у звичний спосіб і не взаємодіє з речовиною так, як знайомі нам частинки. Водночас саме вона, за сучасними уявленнями, визначає майбутню долю космічного простору.
Науковці намагаються зрозуміти, чи є темна енергія сталою властивістю самого простору, чи її сила змінюється з часом. Від відповіді залежить, яким буде Всесвіт через мільярди років: він продовжить рівномірно розширюватися, перейде до іншого режиму або зіткнеться з фундаментальною зміною законів, які керують його еволюцією.
Що приховує слабке випромінювання
Одним із найважливіших джерел інформації для космологів є реліктове випромінювання. Це дуже слабке електромагнітне випромінювання, яке виникло приблизно через 380 тисяч років після народження Всесвіту. Тоді простір достатньо охолов, щоб електрони об’єдналися з протонами, а світло змогло вільно поширюватися на величезні відстані.
Сьогодні реліктове випромінювання спостерігається у мікрохвильовому діапазоні. Воно майже рівномірно заповнює космос, але містить надзвичайно слабкі коливання температури й поляризації. Саме ці відхилення є своєрідним «відбитком» ранньої структури Всесвіту. У них закодована інформація про розподіл матерії, швидкість розширення космосу та умови, у яких формувалися перші галактики.
Особливо цінними виявляються не лише безпосередні властивості реліктового випромінювання, а й те, як воно змінюється під час подорожі крізь простір. На шляху до спостерігача фотони проходять повз галактики, скупчення та великі невидимі скупчення темної матерії. Гравітація цих об’єктів викривляє траєкторію світла, створюючи ефект, який називають гравітаційним лінзуванням.
Аналіз такого викривлення дає змогу відновити карту розподілу маси у Всесвіті. Якщо порівняти цю карту з даними про розширення космосу, можна перевірити, чи узгоджується поведінка темної енергії зі стандартною космологічною моделлю.
Як учені шукають сліди темної енергії
Темна енергія не спостерігається безпосередньо. Її існування припускають за впливом на великомасштабну структуру Всесвіту. Коли космос розширюється, галактики віддаляються одна від одної, а матерія поступово формує складну мережу з ниток, скупчень і порожнин. Темна енергія протидіє гравітації, яка прагне зібрати матерію в щільні структури.
Якщо сила темної енергії постійна, швидкість розширення Всесвіту має змінюватися за певним передбачуваним сценарієм. Проте якщо її властивості еволюціонують, це позначиться на відстанях між галактиками, темпах утворення скупчень і формі космічної мережі. Саме тому вчені поєднують спостереження реліктового випромінювання з вимірюваннями наднових, розподілу галактик і акустичних слідів, що залишилися після ранніх коливань плазми.
Важливу роль відіграє ефект інтегрованого випромінювання Сакса — Вольфа. Він виникає тоді, коли фотони реліктового випромінювання проходять крізь гравітаційні поля, що змінюються з часом. Якщо темна енергія прискорює розширення простору, гравітаційні структури втрачають частину здатності утримувати світло в незмінному енергетичному стані. У результаті у випромінюванні можуть з’являтися дуже слабкі температурні особливості.
Окремо досліджується поляризація реліктового випромінювання. Вона допомагає відокремити первинні сигнали, що виникли в ранньому Всесвіті, від змін, спричинених матерією на шляху фотонів. Чим точніше прилади фіксують такі відмінності, тим надійніше можна простежити історію розширення космосу.
Яким може бути майбутнє Всесвіту
Найпоширеніше припущення полягає в тому, що темна енергія є космологічною сталою — властивістю вакууму, яка не змінюється з часом. За такого сценарію розширення Всесвіту триватиме, а галактики, не пов’язані гравітацією в одне скупчення, поступово віддалятимуться за межі спостережуваного простору. Через неймовірно тривалий час зоряне небо стане дедалі темнішим, оскільки нові покоління зірок майже перестануть утворюватися.
Інший варіант передбачає, що темна енергія може слабшати або посилюватися. Якщо вона поступово втратить свій вплив, гравітація здатна частково змінити нинішню картину розширення. Якщо ж її сила зростатиме, у далекому майбутньому це може призвести до сценарію, за якого спочатку розділятимуться галактики, потім зоряні системи, а зрештою — навіть окремі структури речовини. Такий гіпотетичний фінал називають «Великим розривом».
Водночас сучасні дані ще не дають підстав остаточно обрати один із цих сценаріїв. Слабкі сигнали раннього Всесвіту надзвичайно важко відокремити від шуму, похибок вимірювань і впливу звичайної матерії. Крім того, різні методи спостереження іноді демонструють невеликі розбіжності. Для науки це не недолік, а важлива підказка: саме такі невідповідності можуть вказувати на неповноту нинішньої моделі.
Дослідження темної енергії показує, що минуле Всесвіту безпосередньо пов’язане з його майбутнім. Ледь помітне випромінювання, яке подорожувало космосом майже 14 мільярдів років, дає змогу перевірити, як змінювалися простір, матерія та гравітація. Удосконалення телескопів і методів обробки даних може перетворити ці слабкі сигнали на вирішальний доказ — або змусити науковців переглянути саме розуміння прискореного розширення Всесвіту.