Марек Демиански
Темная энергия – основной элемент Вселенной, ответственный за ее ускоряющееся расширение. Хотя астрономы давно наблюдают космологические эффекты, вызываемые существованием темной энергии, они до сих пор толком не знают, что это. Продвинуться в ответе на этот вопрос может помочь исследование, проведенное специалистами Физического факультета Варшавского университета и Неаполитанского университета имени Фридриха II. Центральное место в исследовании занимают наиболее мощные взрывы – вспышки гамма-лучей.
Новый метод измерения космических расстояний, разработанный в этих институтах, может стать ключом к пониманию темной энергии. «Мы можем определить расстояние до взрыва, основываясь на свойствах гамма-излучения. Учитывая, что некоторые гамма-вспышки относятся к наиболее удаленным известным нам объектам, мы впервые можем определить скорость расширения даже на ранних стадиях развития вселенной после Большого взрыва», – говорит Марек Демиански. Этот метод был использован для того, чтобы проверить космологические модели Вселенной, содержащие темную энергию.
В 1998 году при анализе яркости сверхновой типа Ia оказалось, что наиболее далекие взрывы довольно слабы. Такие сверхновые появляются в двойных системах, в которых одна из звезд – белый карлик, остаток звезды, похожей на Солнце, на последнем этапе ее эволюции. Когда вторая звезда становится красным гигантом и увеличивается, ее внешние слои рано или поздно достигают поверхности белого карлика, что постепенно увеличивает его массу. Когда его масса достигает 1.4 масс Солнца, белый карлик взрывается. Каждый раз при таком взрыве высвобождается примерно одинаковое количество энергии. На этом основан метод измерения расстояний в космосе.
Состав Вселенной (lsst.org)
Слабая яркость дальних сверхновых типа Ia стала надежным указанием на то, что они были еще дальше, чем предполагалось. Вселенная, вместо того, чтобы замедлять расширение, ускоряет его. Поэтому в космологические модели пришлось ввести новый элемент, объясняющий данное явление. Он и называется темной энергией. Вычисления показывают, что этой субстанции не мало, примерно в 20 раз больше, чем обычной материи. «Внезапно темная энергия стала главной загадкой Вселенной», – говорит Демиански.
Даже сегодня никто не знает, что это такое. Существуют две основные модели, объясняющие природу темной энергии. Согласно первой, темная энергия – свойство Вселенной, описываемое одной из космологических констант. Согласно второй, ускоряющееся расширение Вселенной вызывается неизвестным пока скалярным полем. Так что здесь сталкиваются две противоположные точки зрения: либо ускорение расширения – явление само по себе, неотъемлемое от Вселенной, либо это результат действия одного из полей, не менее загадочного и удивительного, чем, скажем, гравитационное.
Анализ плотности темной энергии в разные моменты времени после Большого взрыва может помочь в выборе правильной модели. Если плотность всегда была постоянной, это говорит в пользу того, что она является внутренним свойством Вселенной и описывается космологической константой. Если же ускорение расширения вызвано полем, то с ходом расширения плотность темной энергии должна меняться. «Это было проблемой. Для того, чтобы измерить плотность темной энергии сразу после Большого взрыва, надо знать, как измерять расстояние до очень далеких объектов. Настолько далеких, что даже взрыв сверхновой типа Ia будет таким тусклым, что нам его не заметить», – поясняет Дамиански.
Группа итальянских и польских астрофизиков выдвинула предложение по использованию гамма-вспышек, наиболее мощных взрывов во Вселенной, для измерения огромных расстояний. Они изучили так называемые долгие вспышки, возникающие, предположительно, при взрыве ядра крупной звезды. Этот процесс ведет к образованию черной дыры, а гамма-лучи, испускаемые при этом, настолько мощны, что даже объекты, взорвавшиеся так через 400 миллионов лет после Большого взрыва, могут наблюдаться.
Основной проблемой была невозможность измерения общей энергии взрыва. В этом помог анализ баз данных уже изученных гамма-всплесков. Оказалось, что многие из них случились в галактиках, расстояние до которых может быть измерено другими методами, например, за счет сверхновых. «Мы сконцентрировались на таких случаях. Мы знаем расстояние до галактики и знаем, сколько энергии вспышки достигло Земли. Это позволило нам откалибровать вспышки», – объясняет Демиански.
Следующим шагом был поиск статистических закономерностей в связях между свойствами излучения гамма-вспышки и ее общей энергией. Такие связи найти удалось. «Мы не можем дать физического объяснения корреляции некоторых свойств, – признается Демиански. – Но мы можем сказать, что если зарегистрированное нами излучение имеет такие-то и такие-то свойства, то вспышка имела такую-то энергию. Это позволяет нам использоваться вспышки как маяки для измерения расстояний».
Чрезвычайно далекие гамма-вспышки – редкое явление. В каталоге Аманти их собрано 95, но обо всех нет достаточных сведений для проведения нового анализа. «Это несколько огорчает. Но что важнее, это существование у нас в руках инструмента проверки гипотез об устройстве Вселенной. Так что нам пока остается ждать следующего космического фейерверка», – заключает Демиански.
Недостаточный объем астрономических данных остается главной проблемой при изучении гамма-вспышек. Для восполнения этого пробела работают многие группы ученых, в том числе астрономы Физического факультета Варшавского университета, организовавшие систему роботизированных телескопов для постоянного наблюдения за широкими областями небесной сферы.
