Спустя 25 лет после открытия факт ускоренного расширения нашей Вселенной остается одной из величайших загадок астрофизики. Мы до сих пор не знаем наверняка, что его вызывает, какие параметры им управляют и как мы можем исследовать его характеристики.
Одной из гипотез, объясняющих ускоренное расширение, является существование загадочной формы энергии, не поддающейся прямому обнаружению и однородно распределенной по всему пространству: темной энергии.
Завтра, 1 июля 2023 года, будет запущена миссия ЕКА «Евклид», предназначенная именно для изучения темной Вселенной. И, среди прочего, чтобы понять, почему космическое расширение ускоряется.
К маю 2027 года к Евклиду присоединится еще один космический телескоп, чтобы исследовать за пределами света галактик и понять, чем свет на самом деле не является. Это космический телескоп НАСА «Нэнси Грейс Роман», который будет использовать другие, но взаимодополняющие стратегии, чем «Евклид». С помощью этих двух телескопов мы будем измерять ускоренное расширение разными способами и с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее.
В поисках темной энергии: почему
В 1927 году бельгийский астроном Жорж Лемэтр обнаружил, что Вселенная расширяется с момента своего рождения, и этот факт был подтвержден наблюдениями Эдвина Хаббла в 1929 году. Но ученые ожидали, что гравитация материи во Вселенной постепенно замедлит это расширение.
В 1990-х годах, наблюдая за особым типом сверхновых, ученые обнаружили, что около 6 миллиардов лет назад что-то ( возможно, темная энергия?) начало увеличивать свое влияние на Вселенную, и никто не знает, как и почему. Тот факт, что оно ускоряется, а не замедляется, означает, что в нашем понимании космоса не хватает чего-то фундаментального.
В настоящее время ученые даже не уверены, вызвано ли ускоренное расширение Вселенной дополнительным энергетическим компонентом, или это скорее сигнал о том, что наше понимание гравитации должно как-то измениться.
Роман и Евклид предоставят данные для одновременной проверки теорий и (надеемся) заполнят эти пробелы, пытаясь разными способами найти причину космического ускорения. Оба они предназначены для его изучения, составления трехмерных карт Вселенной, чтобы попытаться ответить на фундаментальные вопросы о ее истории и структуре. Вместе они будут гораздо мощнее, чем поодиночке.
В поисках темной энергии: как
И Роман, и Эвклид будут изучать накопление материи с помощью метода, называемого слабым гравитационным линзированием. Явление гравитационного линзирования происходит потому, что любая масса деформирует ткань пространства-времени; чем больше масса, тем больше кривизна. Даже изображения от далекого источника искажаются, когда доходят до нас, настолько, что иногда они могут выглядеть полностью искаженными или даже образовывать несколько изображений.
С другой стороны, менее концентрированная масса, такая как скопления темной материи, может создавать эффекты, которые гораздо более тонки и их труднее обнаружить. Изучая эти меньшие искажения, фактически «слабое» линзирование, Роман и Эвклид создадут трехмерную карту темной материи.
Составление карты распределения темной материи даст подсказки о космическом ускорении и его источнике энергии, поскольку гравитационное притяжение этого типа материи противодействует расширению Вселенной.
И это еще не все, поскольку две миссии также будут изучать, как галактики группировались вместе на протяжении космических эпох. На самом деле, ученые обнаружили закономерность в том, как галактики группируются вместе: для любой галактики сегодня вероятность найти другую галактику на расстоянии около 500 миллионов световых лет, чуть ближе или дальше, в два раза выше. Это расстояние со временем увеличилось из-за расширения пространства. Заглянув дальше во Вселенную, можно изучить расстояние между галактиками в разное время. Наблюдение за тем, как менялась эта величина, поможет раскрыть историю расширения Вселенной.
В поисках темной энергии: где
Эвклид будет наблюдать за областью площадью около 15 000 квадратных градусов, или третью часть неба. Он будет делать это как в инфракрасном, так и в оптическом диапазоне длин волн света, но с меньшей детализацией, чем Роман. Он сможет вернуться на 10 миллиардов лет назад, в то время, когда возраст Вселенной составлял около 13 миллиардов лет.
Роман, с другой стороны, сможет исследовать вселенную с гораздо большей глубиной и точностью, но на меньшей площади: около 2000 квадратных градусов, или одна двадцатая часть неба. Его инфракрасное зрение вернется к тому времени, когда Вселенной было всего 2 миллиарда лет, и обнаружит большее количество более тусклых галактик.