Tumšā enerģija — kas tā ir? Definīcija un kosmoloģiskā nozīme

Uzzini, kas ir tumšā enerģija — definīcija, kosmoloģiskā nozīme un kā tā rada Visuma paātrināto izplešanos; pārskats par teorijām un mērījumiem.

Tumšā enerģija ir nosaukums hipotētiskam iemeslam, kas, domājams, izraisa Visuma paplašināšanos ar arvien palielinātu ātrumu. Šķiet, ka attālās galaktikas no mums attālinās arvien straujāk: kopš Lielā sprādziena Visums paplašinās, un mūsdienu novērojumi parāda, ka šis paplašināšanās ātrums tagad paātrinās. Mērījumi ir pietiekami precīzi, lai astronomi varētu noteikt šo paātrinājumu, un visvienkāršāk to apraksta ideja, ka tukšā telpā pastāv kāda forma enerģijas, kas rada atgrūdošu efektu — šo parādību sauc par tumšo enerģiju.

Kas tieši ir tumšā enerģija?

Tumšā enerģija nav tieši novērota kā objekts vai daļiņa; tā ir termins, kas apzīmē to, kas nepieciešams kosmoloģiskajiem modeļiem, lai skaidrotu pašreizējo paātrināšanos. Liela daļa datu (skaitliski) liecina, ka tumšā enerģija veido aptuveni 68% no Visuma kopējās enerģijas blīvuma, kamēr matērija (tostarp tumšā matērija un parastā matērija) veido atlikušo daļu.

Kā mēs to atklājām — novērojumu pierādījumi

• Tipa Ia supernovu novērojumi (1998. gadā) parādīja, ka tālas supernovas izskatās vājākas, nekā būtu gaidāms bez paātrinājuma — tas bija pirmais tiešais pierādījums par paplašināšanās paātrināšanos.
• Kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) mērījumi (piemēram, WMAP un Planck) kopā ar Visuma struktūras analīzi sniedz neatkarīgu apstiprinājumu, ka lielākajai daļai Visuma enerģijas ir īpašības, kas atbilst tumšās enerģijas klātbūtnei.
• Bāraonu akustisko oscilāciju (BAO) mērījumi un lielo mērogu struktūras pētījumi papildina šos secinājumus, palīdzot precizēt tumšās enerģijas kvantitatīvās īpašības.

Iespējamie skaidrojumi

Ir vairākas teorijas par to, kas varētu būt tumšā enerģija:

• Kosmoloģiskā konstante (Λ): visvienkāršākais skaidrojums ir tīri konstanta enerģijas blīvuma pievienošana Einšteina gravitācijas vienādojumos. Šim modelim atbilst novērojumiem ar lielu precizitāti; tam raksturīgs spiediens ar attiecību pret enerģijas blīvumu w = -1.
• Vakuma enerģija (kvantu nulles punkta enerģija): kvantu lauku teorijā telpa var saturēt enerģiju pat bez daļiņu klātbūtnes. Taču teorētiskās prognozes dod milzīgu vērtību, kas ir neatbilstoša novērotajai — tas ir viens no lielākajiem neatrisinātajiem jautājumiem fizikā (kosmoloģiskās konstantas problēma).
• Dažādus lauku modeļi (quintessence): dinamiskas skalāra lauka formas, kuru enerģijas blīvums mainās laika gaitā, var radīt līdzīgus efektus kā tumšā enerģija. Šajos modeļos parametra w vērtība var atšķirties no -1 un mainīties laikam.
• Modificēta gravitācija: iespējams, ka pie lieliem attālumiem gravitācijas likumi atšķiras no Einšteina vispārējās relativitātes, un šīs izmaiņas izskatās kā tumšā enerģija.
• Ekzotiski scenāriji: piemēram, "phantom" enerģija (w < -1) var novest pie ļoti dramatiska kosmosa scenārija, ko sauc par Lielo plīsumu (Big Rip).

Kosmoloģiskā un praktiskā nozīme

Tumšā enerģija nosaka Visuma dinamiku uz lieliem mērogiem, un tas, kā tā uzvedas, ietekmē gan Visuma pagātni, gan nākotni. Galvenās sekas:

• Ja tumšā enerģija ir kosmoloģiskā konstante (w ≈ -1), Visums turpinās paplašināties eksponenciāli, tuvojas aukstai, retai "siltuma nāvei" (heat death).
• Ja w atšķiras no -1 vai mainās laika gaitā, Visuma liktenis var būt citāds — no lēnākas paplašināšanās līdz dramatiskam sadalījumam (Big Rip).
• Tumšā enerģija ietekmē to, kā veidojas galaktiku liela mēroga struktūras, bet tai nav nozīmīgas ietekmes uz gravitācijas saistītām sistēmām (piemēram, Saules sistēmu vai galaktikas centru), jo šīs sistēmas ir gravitācijas veidā saistītas.

Atvērtie jautājumi un pašreizējie pētījumi

Galvenie neatrisinātie jautājumi ir: kas precīzi ir tumšā enerģija, kāds ir tās parametra w vērtības precīzs lielums un vai tā mainās laikā, kā arī kā samierināt kvantu teorijas prognozes ar novērojumiem (kosmoloģiskās konstantas problēma). Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, tiek veikti plaši novērojumi un plānotas jaunas misijas — piemēram, lielie zemes teleskopi un kosmiskās misijas (DES, Euclid, Roman Space Telescope, Vera C. Rubin Observatory/LSST, DESI u. c.) — kas mēģina precīzāk izmērīt kosmoloģiskos parametrus.

Paātrinātās Visuma paplašināšanās atklāšana 1998. gadā noveda pie 2011. gada Nobela prēmijas fizikā, kas tika piešķirta Saulam Perlmutteram, Brianam P. Schmidtam un Adamam G. Riessam par atklājumu, ka Visuma izplešanās paātrinās. Kopš tā laika tumšā enerģija paliek viena no centrālajām un visradošākajām problēmām mūsdienu kosmoloģijā un teorētiskajā fizikā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir tumšā enerģija?

J: Kāpēc šķiet, ka attālās galaktikas no mums attālinās ar lielu ātrumu?

J: Kā astronomi var noteikt, ka attālās galaktikas paātrinās virzībā prom no mums?

J: Vai Visums paplašinās ar nemainīgu ātrumu?

J: Kāds ir iemesls, kāpēc Visuma izplešanās ātrums pieaug?

J: Ko tumšās enerģijas teorija liecina par Visuma nākotni?

J: Cik nozīmīgi ir tumšās enerģijas mērījumi mūsu izpratnei par Visumu?

Meklēt pēc burta