Астрономи вже століття знають, що Всесвіт розширюється після Великого Вибуху. Протягом перших восьми мільярдів років швидкість розширення була відносно постійною, оскільки її стримувала сила тяжіння. Однак завдяки таким місіям, як Космічний телескоп імені Габбла, астрономи дізналися, що приблизно п’ять мільярдів років тому швидкість розширення прискорилася. Цей факт пояснюють широко визнаною теорією про те, що за розширенням стоїть таємнича сила (відома як темна енергія). Натомість деякі науковці наполягають на тому, що гравітація могла змінитися з часом.
Це суперечлива гіпотеза, адже вона означає, що загальна теорія відносності Айнштайна (яку підтверджено багатьма способами) є неправильною. Але згідно з новим дослідженням міжнародного об’єднання науковців «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey, DES) гравітація не змінювалася протягом усієї історії Всесвіту. Ці результати здобуто до того, як два космічні телескопи наступного покоління («Ненсі Ґрейс Роман» і «Евклід») буде виведено за межі Землі для виконання ще більш точних вимірювань сили тяжіння та її ролі в космічній еволюції.
До колаборації DES входять дослідники з університетів та інститутів США, Великобританії, Канади, Чилі, Іспанії, Бразилії, Німеччини, Японії, Італії, Австралії, Норвегії та Швейцарії. Результати третього року дослідження були представлені на Міжнародній конференції з фізики елементарних частинок і космології (COSMO’22), яка проходила в Ріо-де-Жанейро з 22 до 26 серпня. Їх також викладено в статті під назвою «Dark Energy Survey Year 3 Results: Constraints on extensions to Lambda CDM with weak lensing and galaxy clustering» («Результати дослідження темної енергії за рік 3: обмеження на розширення лямбда-CDM зі слабким лінзуванням і скупченнями галактик»), яка опублікована в журналі Американського фізичного товариства Physical Review D.
Загальна теорія відносності Айнштайна, яку він завершив у 1915 році, описує, як кривизна простору-часу змінюється під дією гравітації. Понад століття ця теорія точно передбачила майже все у нашому Всесвіті, від орбіти Меркурія та гравітаційного лінзування до існування чорних дір. Але між 1960-ми та 1990-ми роками було виявлено дві розбіжності, які змусили астрономів задуматися, чи теорія Айнштайна правильна. По-перше, астрономи помітили, що гравітаційні ефекти масивних структур (таких як галактики та скупчення галактик) не узгоджуються з їх спостережуваною масою.
Це спричинило появу теорії про те, що простір заповнений невидимою масою, яка взаємодіє з «нормальною» (вона ж видима чи така, що світиться) матерією через гравітацію. Тим часом спостережуване розширення космосу (і те, як воно прискорюється) спонукало науковців ввести в науковий обіг поняття темної енергії та розробити космологічну модель лямбда-холодної темної матерії (лямбда-CDM). Холодна темна матерія — це гіпотетична субстанція, яку утворюють масивні частинки з повільним рухом. Водночас складник лямбда в моделі представляє темну енергію. Теорія вказує на те, що ці дві субстанції становлять 95% загального вмісту маси та енергії у Всесвіті. Проте всі спроби знайти прямі докази існування цих субстанцій досі є невдалими.
Єдина можлива альтернатива полягає в тому, що загальну теорію відносності треба змінити, щоб врахувати ці розбіжності. Щоб з’ясувати, чи це так, члени DES використовували 4-метровий телескоп Віктора М. Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро Тололо в Чилі для спостереження за галактиками на відстані до 5 мільярдів світлових років. Вони сподівалися визначити, чи змінювалася гравітація протягом останніх 5 мільярдів років (з початку прискорення). Науковці також взяли до уваги дані від інших телескопів, зокрема супутника Європейського космічного агентства «Планк» (Planck), який картографував космічний мікрохвильовий фон (CMB) протягом 2009—2013 років.
Дослідники пильно вивчають зображення, які вони отримали за допомогою телескопів. На таких зображеннях вони знаходять ледве помітні спотворення через темну матерію (гравітаційні лінзи). Як показало перше зображення, отримане космічним телескопом Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), науковці можуть зробити висновок про силу тяжіння, проаналізувавши ступінь, до якої гравітаційна лінза спотворює простір-час. Наразі учасники співпраці DES виміряли форми понад 100 мільйонів галактик, і всі отримані результати відповідають тому, що має бути згідно із загальною теорією відносності. Хороша новина полягає в тому, що теорія Айнштайна все ще актуальна, але це також означає, що таємницю темної енергії поки що не розкрито.
Уявлення художника про космічний телескоп Ненсі Ґрейс Роман. Його назвали на честь першого керівника відділу астрономії в Управлінні космічної науки NASA. Авторські права на зображення: NASA. Фото з сайту www.universetoday.com.
На щастя, астрономам не доведеться довго чекати, перш ніж будуть доступні нові та більш детальні дані. По-перше, це місія Європейського космічного агентства «Евклід», запуск якої заплановано не пізніше 2023 року. Ця місія складе мапу геометрії Всесвіту, заглянувши на 8 мільярдів років у минуле, щоб виміряти вплив темної матерії та темної енергії. У травні 2027 року до неї приєднається космічний телескоп NASA імені Ненсі Грейс Роман, який загляне на 11 мільярдів років назад. Це будуть найдокладніші космологічні дослідження, які коли-небудь виконували науковці. Згідно з очікуваннями, вони нададуть найпереконливіші докази на користь (або проти) моделі Лямбда-CDM.
У нещодавньому прес-релізі NASA співавтор дослідження Агнес Ферте (Agnès Ferté), яка брала в ньому участь як постдокторант Лабораторії реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL), зазначила: «Теорії гравітації Айнштайна ще можна кинути виклик, адже вимірювання стають дедалі точнішими. Але нам ще так багато потрібно зробити, перш ніж ми будемо готові до спостережень з “Евклідом” та “Роман”. Тому дуже важливо, щоб ми продовжували співпрацювати з науковцями з усього світу над цією проблемою, як ми це робили, досліджуючи в складі колаборації темну енергію».
Крім того, виконані «Веббом» спостереження найдавніших зір та галактик у Всесвіті дозволять астрономам скласти схему еволюції космосу з найдавнішого часу. Ці зусилля можуть дати відповідь на деякі з найактуальніших таємниць Всесвіту. До них належить і та, як співвідносяться теорія відносності та спостережувана маса і розширення Всесвіту. Вони (зусилля) також можуть дати розуміння того, як взаємодіють гравітація та інші фундаментальні сили Всесвіту (які описує квантова механіка) — Теорія всього (Theory of Everything, ToE).
Якщо є щось, що характеризує нинішню епоху астрономії, так це те, як поєднуються довгострокові дослідження та інструменти наступного покоління, щоб перевірити те, що досі було теоретичним передбаченням. Потенційні прориви, до яких це може привести, неодмінно порадують і збентежать нас. Але зрештою вони кардинально змінять наш погляд на Всесвіт.
За інф. з сайту www.universetoday.com
