Подбросьте камень — он замедлится, остановится и упадёт. Бросьте достаточно сильно — улетит в космос, но всё равно будет терять скорость из-за притяжения Земли. Примерно такой же судьбы ждали от Вселенной: галактики разлетаются, а взаимное тяготение должно этот разлёт тормозить. Наблюдения показали обратное.
Расширение как факт
В 1920-х годах выяснилось, что далёкие галактики удаляются от нас, причём тем быстрее, чем дальше они находятся. Это следует из смещения линий в их спектрах к красному краю. Правильнее говорить не о разлёте галактик сквозь пространство, а о растяжении самого пространства между ними — как удаляются друг от друга изюминки в поднимающемся тесте. Центра у этого расширения нет: из любой галактики картина выглядит одинаково.
Общая теория относительности описывает такое поведение естественным образом. Оставался вопрос о будущем: продолжится ли расширение вечно, постепенно замедляясь, или когда-нибудь сменится сжатием? Чтобы ответить, нужно было измерить, как менялась скорость расширения со временем.
Сверхновые как маяки
Для этого нужны объекты с известной яркостью, которые видны очень далеко. Такими оказались сверхновые определённого типа — взрывы белых карликов. Они вспыхивают примерно с одинаковой силой, и по видимому блеску можно судить о расстоянии, а по спектру — о том, насколько Вселенная расширилась, пока свет шёл к нам.
В конце 1990-х годов две независимые группы астрономов измерили десятки далёких сверхновых. Обе ожидали найти замедление, обе получили противоположное: далёкие вспышки оказались слабее, чем должны быть. Значит, они находятся дальше, чем получалось бы при замедляющемся расширении. Последние несколько миллиардов лет Вселенная расширяется всё быстрее. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике 2011 года.
Что стоит за ускорением
Чтобы разгонять расширение, нужно нечто, действующее противоположно обычному тяготению. Это «нечто» и назвали тёмной энергией. Название — скорее обозначение задачи, чем ответ.
По современным оценкам, на её долю приходится около двух третей всего содержимого Вселенной. Примерно четверть — тёмная материя, и лишь около пяти процентов — привычное вещество. Эти числа получены несколькими способами: по сверхновым, по реликтовому излучению, по распределению галактик в пространстве — и согласуются между собой.
Основные гипотезы
- Космологическая постоянная. Ещё в 1917 году Эйнштейн ввёл в свои уравнения дополнительное слагаемое, которое позже считал лишним. Оно описывает энергию, присущую самому пустому пространству: она не разбавляется при расширении, и чем больше становится пространства, тем сильнее её суммарное действие. Этот вариант лучше всего согласуется с наблюдениями.
- Меняющееся поле. Возможно, тёмная энергия — не постоянная величина, а некое поле, свойства которого со временем медленно меняются. Чтобы это проверить, расширение измеряют всё точнее.
- Иные законы тяготения. Не исключено, что на огромных расстояниях теорию тяготения придётся дополнить, и тогда отдельная сущность не понадобится.
У самого простого объяснения есть известная трудность. Квантовая теория позволяет оценить, какой должна быть энергия пустого пространства, и эта оценка расходится с наблюдаемой величиной на чудовищное число порядков. Это расхождение считают одной из самых серьёзных нерешённых задач физики.
Что это значит для будущего
Если тёмная энергия действительно постоянна, расширение будет продолжаться неограниченно. Далёкие галактики со временем уйдут за пределы видимости, и небо за границами нашей местной группы галактик опустеет. Речь о сроках в десятки и сотни миллиардов лет. Если же свойства тёмной энергии меняются, возможны и другие сценарии — пока данных недостаточно, чтобы выбрать.
История с тёмной энергией хорошо показывает, как устроена наука. Исследователи искали одно, нашли другое, проверили разными способами и признали результат, хотя он не вписывался в ожидания. А на вопрос «что это» честно отвечают: пока не знаем.
