Тёмная энергия

Виды энергии:
	Механическая	Потенциальная  Кинетическая
‹♦›	Внутренняя
	Электромагнитная	Электрическая  Магнитная
	Химическая
	Ядерная
${\displaystyle G}$	Гравитационная
${\displaystyle \emptyset }$	Вакуума
Гипотетические:
${\displaystyle }$	Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

Тёмная эне́ргия (

.

Существует три варианта объяснения сущности тёмной энергии:

• тёмная энергия есть
  космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума)^[2]
  ;
• тёмная энергия есть некая
  квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени
  .
• тёмная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной^[3].

По состоянию на 2020 год надёжные наблюдательные данные, такие как измерения реликтового излучения, подтверждают существование тёмной энергии, Модель Лямбда-CDM принимается в космологии как стандартная^[3].

Окончательный выбор между вариантами требует очень длительных и высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются

.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «

.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в

.

Расстояния до других

параметром Хаббла

(или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже

вычислены другими методами

. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia (все вспыхивающие Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды). Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

За открытие ускоренного расширения Вселенной Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (

). Её назвали «тёмной энергией».

Гипотеза о существовании тёмной энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему

.

Природа тёмной энергии

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена в пространстве[9], испытывает гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения^[9], имеет низкую плотность и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Плотность тёмной энергии не зависит от времени (за последние 8 млрд лет её плотность изменилась не более, чем на 10 %)^[9]. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10⁻²⁶ кг/м³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (от названия греческой буквы ${\displaystyle \Lambda }$, используемой для её обозначения в уравнениях

. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Многие физические теории

.

Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с вакуумом» объёма ${\displaystyle V}$, равняется ${\displaystyle \rho V}$, где ${\displaystyle \rho }$ — энергетическая плотность космологической константы. Увеличение объёма «коробки» (${\displaystyle dV}$ положительно) приводит к возрастанию её внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как работа, выполняемая изменением объёма ${\displaystyle dV}$, равняется ${\displaystyle pdV}$, где ${\displaystyle p}$ — давление, то ${\displaystyle p}$ — отрицательно и, фактически, ${\displaystyle p=-\rho }$ (коэффициент ${\displaystyle c^{2}}$, связывающий массу и энергию, приравнен 1)[2].

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причём давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной^[12].

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство

» наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа — это во многих отношениях самое

лямбда-CDM модель

) включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

Квинтэссенция

Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом^[15][16]. Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого «квинтэссенцией»^[17]. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и тому подобные), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения

предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно в определённый момент времени. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.

(зависимость давления от плотности энергии) для квинтэссенции: ${\displaystyle p=w\cdot \varepsilon ,}$ где ${\displaystyle -1<w<-1/3}$ (для вакуума ${\displaystyle w=-1}$).

Были предложены и другие возможные виды тёмной энергии: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность возрастает со временем (в уравнении состояния этого типа тёмной энергии ${\displaystyle w<-1}$), и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву^[18] Вселенной.

В 2014 году данные проекта BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) показали, что с высокой степенью точности значение тёмной энергии является константой^[19].

Имеется гипотеза, что тёмной энергии нет вообще, а ускоренное расширение Вселенной объясняется неизвестными свойствами сил гравитации, которые начинают проявляться на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной^[3].

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате

, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «

) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Регулярно появляются резонансные статьи с критикой тёмной энергии, и хотя в самих работах авторы выражаются обычно сдержанно, в аннотациях и комментариях журналистам представляют свои выводы в гипертрофированном виде^[20], к примеру, как ставящие под сомнение само существование тёмной энергии:

• В 2010 году Том Шэнкс из Даремского университета поставил под сомнение результаты WMAP, подтверждающие существование тёмной энергии, в связи с эффектом размытия реликтового излучения^[21].
• В 2016 году Николай Горькавый представил гипотезу, в которой место тёмной энергии заняли гравитационные волны^[22].
• В 2019 году Артем Асташёнок и Александр Тепляков выпустили статью, в которой предположили, что данные наблюдений, обычно интерпретируемых как свидетельство ускоренного расширения Вселенной, имеют другую природу, в частности из-за влияния эффекта Казимира^[23].

Часть работ с критикой тёмной энергии основана на том, что было обнаружено, что спектры сверхновых типа Ia, которые считались одинаковыми, на самом деле различны; кроме того, форма сверхновой типа Ia, которая является относительно редкой сегодня, была гораздо более распространенной ранее в истории Вселенной:

• В 2015 году команда во главе с исследователями из Аризонского университета установила, что сверхновые типа Ia делятся на две группы с разными светимостями, что уменьшило оценку скорости разлетания галактик во Вселенной^[24].
• В 2016 году Якоб Нильсен выпустил работу, в которой только на основании анализа светимости сверхновых типа Ia утверждал, что Вселенная расширяется не ускоренно^[25].
• В 2020 году астрономы из университета Ёнсе совместно с коллегами из Лионского университета и KASI^[англ.] завершили анализ, который показал, по мнению исследователей, что само предположение о существовании тёмной энергии было сделано на основе, вероятно, ошибочной оценки светимости «стандартных свечей»^[26][27]. Отмечается, что в саму работу авторы свои революционные выводы вставлять не стали, возможно, из-за небольшой выборки и рассогласованности других вычисленных астрономами космологических параметров с результатами наблюдений в том числе космической обсерватории Планк^[20].

Существуют различные экспериментальные установки, в задачи которых входит обнаружение тёмной энергии (в основном они занимаются поиском WIMP-частиц и по состоянию на 2018 год не получили никаких положительных результатов):^[28]

• SNOLAB недалеко от Онтарио в Канаде, планируется также SuperCDMS и DEAP^[англ.]-3600
• LUX-эксперимент^[англ.] в Лиде, Южная Дакота
• EDELWEISS-эксперимент^[англ.] во французских Альпах
• PandaX в подземной лаборатории Цзинь-Пин в Китае
• Подземная научная лаборатория Джадугуда в Индии
• XENON1T в итальянских Апеннинах
• аксионы
  )
• BEST,
  стерильное нейтрино)^[29]

Тем не менее, в научном сообществе превалирует мнение, что наличие тёмной энергии является установленным фактом[22]. Хотя нет прямых наблюдений тёмной энергии, наблюдения реликтового излучения космической обсерваторией Планк являются самым надёжным подтверждением существования тёмной энергии^[20]. Многие результаты наблюдений, в частности барионные осцилляции^{[англ.][20]} и слабое гравитационное линзирование^[англ.] не находят других убедительных объяснений, кроме как в рамках модели Лямбда-CDM.

Ссылки

• Статьи и обзоры о тёмной энергии на Modern Cosmology (англ.)
• Чернин A. Д. Тёмная энергия вблизи нас
• Чернин A. Д. Физический вакуум и космическая анти-гравитация
• Rincon P. New method 'confirms dark energy' // BBC News. — 19 May 2011 (англ.)