• Телескоп WFIRST поможет раскрыть судьбу Вселенной и темной материи

Ученые обнаружили, что загадочная «темная энергия» составляет около 68% от общего содержания энергии в космосе, но пока мы знаем про нее очень мало. Изучение природы темной энергии является одной из основных причин, по которой НАСА строит широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST), космический телескоп, измерения которого помогут осветить загадку темной энергии. С лучшим пониманием темной энергии у нас будет лучшее понимание прошлой и будущей эволюции вселенной.

Расширяющийся Космос

До 20-го века большинство людей верило, что вселенная была статичной, оставаясь практически неизменной на протяжении вечности. Когда Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности в 1915 году, описывающую, как гравитация действует на ткани пространства-времени, он был озадачен, обнаружив, что теория указывает, что космос должен либо расширяться, либо сжиматься.

Он внес изменения, чтобы сохранить статическую вселенную, добавив что-то, что он назвал «космологической константой», хотя не было никаких доказательств того, что она действительно существовала. Эта таинственная сила должна была противодействовать гравитации, чтобы удержать все на месте.

Однако, когда 1920-е годы подходили к концу, астроном Жорж Леметр, а затем Эдвин Хаббл сделали потрясающее открытие, что за очень немногими исключениями галактики разлетаются друг от друга. Вселенная была далека от статичности - она раздувалась наружу. Следовательно, если мы представим перемотку этого расширения назад, то должно было быть время, когда все во вселенной было невозможно горячим и находилось близко друг к другу.

Конец Вселенной: Огонь или Лед?

Теория Большого взрыва описывает расширение и эволюцию Вселенной из этого начального сверхгорячего, сверхплотного состояния. Ученые предположили, что гравитация в конечном итоге замедлится и, возможно, даже полностью изменит это расширение. Если бы во вселенной было достаточно материи, гравитация преодолела бы расширение, и вселенная рухнула бы в большом огненном всплеске.

Если нет, расширение никогда не закончится - галактики будут разлетаться все дальше и дальше, пока не пройдут границу наблюдаемой вселенной. Наши дальние потомки могут не знать о существовании других галактик, так как они будут слишком далеко, чтобы быть видимыми. Многое из современной астрономии может однажды превратиться в простую легенду, поскольку вселенная постепенно исчезнет в черном холоде.

Вселенная не просто расширяется - она ускоряется

Астрономы измерили скорость расширения с помощью наземных телескопов для изучения относительно близких взрывов сверхновых. Проблема обострилась в 1998 году, когда наблюдения космического телескопа Хаббл более отдаленных сверхновых показали, что Вселенная в действительности расширялась медленнее в прошлом, чем сегодня. Расширение Вселенной не замедляется из-за гравитации, как все думали - процесс ускоряется.

Перенесемся в сегодня. Хотя мы до сих пор не знаем, что именно вызывает ускорение, ему было дано название - темная энергия. Это таинственное давление оставалось неоткрытым так долго, потому что оно настолько слабое, что гравитация одолевает его в масштабе людей, планет и даже галактики.

Она присутствует в комнате с вами, когда вы читаете, в самом вашем теле, но гравитация противодействует этому, чтобы вы не улетели со своего места. Только в межгалактическом масштабе темная энергия становится заметной, действуя как своего рода слабая оппозиция гравитации.

Что такое темная энергия?

Что именно является темной энергией? Больше неизвестно, чем известно, но теоретики ищут пару возможных объяснений. Космическое ускорение могло быть вызвано новым энергетическим компонентом, который потребовал бы некоторой корректировки теории гравитации Эйнштейна - возможно, космологическая постоянная, которую Эйнштейн назвал своей самой большой ошибкой, в конце концов, реальна.

Альтернативно, теория гравитации Эйнштейна может разрушиться в космологических масштабах. Если это так, то теория должна быть заменена новой, которая включает космическое ускорение, которое мы наблюдали. Теоретики до сих пор не знают, каково правильное объяснение, но WFIRST поможет нам это узнать.

WFIRST осветит темную энергию

Предыдущие миссии собрали некоторые подсказки, но до сих пор они не дали результатов, которые бы объяснили одни результаты и отвергли другие. С тем же разрешением, что и у камер Хаббла, но с полем зрения, которое в 100 раз больше, WFIRST будет получать никогда ранее не виданные большие изображения вселенной.

Новая миссия продвинет исследование тайны темной энергии способами, недоступными для других телескопов, путем картирования структуры материи и ее распределения по всему космосу, а также путем измерения большого количества отдаленных сверхновых. Результаты покажут, как темная энергия действует во вселенной, и изменилась ли она и как она изменилась за всю космическую историю.

Миссия будет использовать три метода исследования, чтобы найти объяснение темной энергии. Высокоширокая спектроскопическая съемка позволит измерить точные расстояния и положения миллионов галактик, используя метод «стандартной линейки». Измерение того, как распределение галактик меняется с расстоянием, даст нам окно в эволюцию темной энергии во времени. Это исследование свяжет расстояния галактик с эхом звуковых волн сразу после Большого взрыва и проверит теорию гравитации Эйнштейна на протяжении возраста Вселенной.

Изучение снимков в высоком разрешении позволит измерить формы и расстояния множества галактик и скоплений галактик. Огромная гравитация массивных объектов деформирует пространство-время и вызывает искажение более отдаленных галактик. Наблюдение за степенью искажения позволяет ученым сделать вывод о распределении массы по всему космосу.

Это включает в себя всю материю, которую мы можем видеть непосредственно, например, планеты и звезды, а также темную материю - еще одну темную космическую тайну, которая видна только благодаря гравитационному воздействию на нормальную материю. Этот обзор обеспечит независимое измерение роста крупномасштабной структуры во вселенной и того, как темная энергия повлияла на космос.

WFIRST также проведет исследование одного типа взрывающейся звезды, основываясь на наблюдениях, которые привели к открытию ускоренного расширения. Сверхновые типа Ia рождаются, когда взрывается белая карликовая звезда. Сверхновые типа Ia обычно имеют одинаковую абсолютную яркость на своем пике, что делает их так называемыми «стандартными свечами».

Это означает, что астрономы могут определить, как далеко они находятся, увидев, насколько они ярки от Земли. Астрономы также будут смотреть на конкретные длины волн света, приходящего от сверхновых, чтобы выяснить, как быстро умирающие звезды удаляются от нас. Комбинируя расстояния с измерениями яркости, ученые увидят, как темная энергия развивалась с течением времени, обеспечивая перекрестную проверку с помощью двух высокоширотных съемок.

«Миссия WFIRST уникальна в сочетании этих трех методов. Она приведет к очень надежной и богатой интерпретации эффектов темной энергии и позволит нам сделать определенные утверждения о природе темной энергии», - сказал Оливье Доре, научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, и руководитель группы, планирующей первые два метода исследования с WFIRST.

Обнаружение того, как темная энергия повлияла на расширение вселенной в прошлом, прольет свет на то, как это повлияет на расширение в будущем. Если это продолжит ускорять расширение вселенной, нам может быть суждено испытать «Большой Разрыв».

В этом сценарии темная энергия в конечном итоге станет доминирующей над фундаментальными силами, в результате чего все, что в настоящее время связано друг с другом - галактики, планеты, люди - распадется. Изучение темной энергии позволит нам исследовать и, возможно, даже предвидеть судьбу Вселенной.

Источник: ?page=news&news=20190914191359