Как ще свърши Вселената? Космологът Кейти Мак обяснява значението на последните открития за тъмната енергия

Произходът на тъмната енергия

Когато тъмната енергия беше открита за първи път, беше, меко казано, изненада.

Космологична константа — или нещо по-странно

Откакто излязоха резултатите на DESI обаче, хората се питат как тази картина може да се промени.

Константите не трябва да се променят

Какво се случва, ако тъмната енергия изчезне

Тъмната енергия вероятно ще унищожи всичко в крайна сметка. Но междувременно стремежът да я разберем доведе до някои невероятни открития. А и не може да се каже какво ни е подготвила Вселената.

Ако ме бяхте попитали преди година за най-вероятната крайна съдба на Вселената, щях да мога да отговоря веднага. Като космолог съм прекарала много време в размишления за края на Вселената – дори написах книга по темата. Знаем, че Вселената се разширява и това разширяване се ускорява. В далечното бъдеще това ускоряващо се разширяване ще изпразни Космоса, докато по същество не остане нищо. Звездите изгарят, материята се разпада, черните дупки се изпаряват и накрая не остава нищо освен няколко бездомни частици светлина, които разсейват отпадъчната топлина на цялото творение. Този сценарий понякога се нарича „топлинна смърт“ или „голямото замръзване“ и е пряка последица от нашата най-добра работеща теория за това как се държи Вселената. Това казва космологът Кейти Мак,цитирана от National Geographic - България.

"Но ако ме попитате днес, бих се поколебала. Резултатите, обявени в края на март от Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), базирайки се на предишни данни, публикувани миналата година, рисуват много различна картина на нашата вселена, като предизвикват най-доброто ни предположение за природата на нейния най-важен и най-мистериозен компонент: тъмната енергия", добавя тя.

В края на 90-те години астрономите откриха, че разширяването на Вселената, първоначално предизвикано от Големия взрив, леко се ускорява през последните няколко милиарда години. Ускорението беше ясно в данните и потвърдено от множество организации, но изглежда нямаше смисъл.

Изследователите очакваха разширяването да се забави, а не да се ускорява. Всичко в космоса - галактики, звезди, газ, прах, дори чиста енергия - има гравитационен ефект върху всичко останало. И гравитацията дърпа обектите едни към други, а не ги раздалечава. И така, докато астрономите знаят от повече от сто години, че далечните галактики се отдалечават една от друга и се отдалечават от нас, с разширяването на космоса, единственото разумно очакване беше, че гравитацията на всичко това трябва да устои на разширяването и постепенно да го забави.

За щастие на астрономите, теорията на Алберт Айнщайн за гравитацията – Общата теория на относителността – предлагаше потенциална вратичка. Въпреки че никое познато вещество не може да накара Вселената да се ускори в своето разширяване, Айнщайн остави отворена възможността самото пространство да може да свърши тази работа. В своите уравнения за еволюцията на космоса той добавя термин, наречен „космологична константа“ — изобразен с гръцката буква Λ (малка буква λ) или ламбда — който по същество дава на самото пространство способността да се раздува отвътре и да се отблъсква от гравитационен колапс.

Когато Айнщайн за първи път го предлага, астрономите не знаеха, че Вселената се разширява. След като наблюденията започнаха да сочат разширяваща се вселена, той вади термина от уравненията си, отписва го като грешка и преминава към по-разумни неща. Когато се сблъскаха с неочаквани наблюдения на ускорението, съвременните астрономи решиха, че може би космологичната константа може да обясни неочакваното разтягане на пространството. Колкото и странно да беше, така и стана.

Космологичната константа представи и завладяваща времева линия. Когато Вселената е била по-малка и по-плътна, гравитацията постепенно забавяла разширяването и космологичната константа нямала голям ефект. Но веднага щом Вселената станала достатъчно голяма и дифузна, преди около шест милиарда години, цялото това допълнително празно пространство означавало, че малката част от тенденцията на разтягане може да поеме надмощие, причинявайки разширяването да се ускори отново.

През последните няколко десетилетия всяко наблюдение изглеждаше в разумно съгласие с този разказ, така че физиците интегрираха космологичната константа в своя модел за това как работи Вселената. Космологичната константа попадна под чадъра на по-общия термин тъмна енергия, който се отнася до всичко, което причинява космическо ускорение и обхваща възможността за космологична константа или нещо дори по-странно.

Поддържайки широката дефиниция на тъмната енергия, ние все пак запазихме готовност и за други обяснения. Може би тъмната енергия не е присъщо свойство на пространството, а всъщност някакъв вид все още неизвестно енергийно поле (понякога наричано „квинтесенция“ или „динамична тъмна енергия“). Това поле може да действа като космологична константа сега - разтягайки пространството по същия начин - но вместо да бъде постоянно свойство на пространството, то може да е нещо, което се променя с времето, или става по-слабо, или по-силно с еволюцията на Вселената.

Да разберем какво точно се случва с тъмната енергия и дали тя наистина е космологична константа, беше движещата мотивация за няколко големи проекта за наблюдение през последните години, включително DESI. Каквато и да е тъмната енергия, според нашите най-добри астрофизични сметки, тя съставлява около 70% от енергийната плътност на Вселената. Това е най-важното нещо в космоса, както по отношение на количеството му, така и по отношение на влиянието му върху космическата еволюция.

Ако тъмната енергия е космологична константа, сценарият за топлинна смърт, при който Вселената завършва тъмна, студена и празна, е практически осигурен. Можем да изчислим колко време ще мине, преди далечните галактики да се отдалечат от нас толкова бързо, че вече да не можем да ги видим (около 100 милиарда години), и можем да определим колко време ще мине, преди космосът напълно да се поддаде на собствения си неизбежен разпад (числото е твърде голямо, за да се изрази лесно с думи).

Резултатите от DESI изглежда се съгласуват по-добре с вид тъмна енергия, която отслабва с времето, отколкото с космологична константа. Резултатите са доста завладяващи, но все още не са това, което ние във физиката бихме нарекли „откритие“. Ако констатацията е вярна, разширяването все още се ускорява, но не толкова, колкото е било, когато тъмната енергия за първи път започнала да доминира. Това определено не е начинът, по който работи космологичната константа.

Някои новини за резултатите предполагат, че това е причина за определен вид оптимизъм. Може би смъртта от топлина все пак не е нашата съдба. Може би отслабването на тъмната енергия означава, че разширяването ще навлезе във фаза на движение по инерция или в крайна сметка ще спре напълно.

Лично аз бих препоръчала малко повече предпазливост в тези тълкувания. Дори ако резултатите на DESI напълно издържат на проверка и се потвърдят от други проучвания, те по същество не ни дават информация за бъдещето. Единствената причина, поради която можем да правим изводи за нашата съдба с космологична константа, е, че знаем точно как се държи тя: тя е постоянна. По отношение на динамичната тъмна енергия обаче, докато не узнаем какво движи нейното развитие, нямаме никаква представа какво ще се случи по-нататък.

Може би ще имаме нещо съвсем различно. Взети направо, резултатите от DESI предполагат, че в по-ранна епоха тъмната енергия е била в това, което физиците наричат „фантомен“ режим. Фантомната тъмна енергия е тъмна енергия, която става по-мощна с времето по начин, който може буквално да разкъса Вселената. Ако наистина е бил фантом в миналото, няма какво да се каже, че не може да промени тази посока отново, потенциално водещо до доста ужасна съдба, наречена „голямото разкъсване“. От гледна точка на теорията има причини да се съмняваме, че фантомната тъмна енергия изобщо може да се случи, но ако може, това не вдъхва точно оптимизъм.

Трябва да кажа, че дори ако тъмната енергия отслабне толкова много, че изчезне напълно, и дори ако разширяването спре напълно, това също не е непременно отсрочка. Звездите все пак ще експлодират или ще изчезнат, тъй като съдържащият се в тях водород се превръща в хелий в техните ядра. Черните дупки ще растат и в крайна сметка ще се изпарят. И по един или друг начин космосът ще клони към безпорядък и разпад, както изискват някои от нашите най-надеждни физически закони. Възможно е също така да ни сполети съвсем различна съдба, водена от квантова промяна в законите на физиката: странен и определено невъзможен за оцеляване феномен, известен като вакуумен разпад.

Лично аз се вълнувам да видя как ще се развие този дебат, въпреки мрачната прогноза. Резултатите на DESI могат да доведат до първата голяма промяна на космологичната парадигма след откриването на тъмната енергия и до пълно пренаписване на нашия модел на Вселената.