Темная энергия – загадочная сила, вызывающая ускоренное расширение Вселенной. Темную энергию нельзя увидеть, но если нам удастся составить хорошую хронологию расширения, это позволит проверить теории, описывающие природу темной энергии.

Темная энергия вводится для того, чтобы объяснить ускорение расширения Вселенной, которое должно бы по идее замедляться из-за гравитации, стягивающей ее обратно в одну точку. Поэтому вводится гипотетическая материя с отрицательным давлением, достаточным для того, чтобы противостоять гравитации. В пользу введения темной энергии также говорят измерения плотности распределения энергии во Вселенной и наблюдения за сверхновыми. Точные измерения реликтового излучения показывают, что плотность энергии во Вселенной очень близка к критическому значению, при котором Вселенная становится плоской (кривизна пространства-времени, определяемая общей теорией относительности, становится нулевой на больших масштабах). А поскольку энергия – эквивалент массы, то обычно говорят о критической плотности, необходимой для существования плоской Вселенной. Но обычная материя, из которой состоят звезды, планеты, пыль, дает всего 5% критического значения плотности. Наблюдения показывают, что темная материя не может сделать вклад более 25%. А наблюдения реликтового излучения и сверхновых говорят о том, что темная энергия как раз дает около 70% плотности. В сумме получается значение, близкое к 100%, то есть критической массе плоской Вселенной.

В ходе расширения Вселенной плотность упала в триллионы раз. Почему плотность темной энергии в три раза больше плотности темной материи, а ее плотность в пять раз больше плотности обычной материи? Ответы на эти вопросы являются важными для будущего фундаментальной физики. Возможно, то, что мы называем темной энергией и темной материей возникает из-за каких-то неизвестных свойств гравитации. Сегодня миры физики частиц и космологии объединяются, а мысль о том, что галактики составляют большую часть Вселенной давно отброшена. Ею правит невидимая темная материя и загадочная темная энергия.

Астрофизики почти ничего не понимают о темной энергии, хотя она и составляет 70% массы Вселенной. Ученые активно пытаются выяснить ее фундаментальные свойства: силу, ее изменения по величине и направлению. Эволюция Вселенной определяется количеством темной материи и темной энергии. Изменение их количества или их свойств (плотность, сила) определяет судьбу Вселенной. Если во Вселенной много темной материи, то расширение замедляется из-за гравитационного воздействия большой массы темной материи, а Вселенная оканчивается в Большом сжатии. Если темная материя достигает критического значения плотности, расширение останавливается. Если же темная энергия превалирует над темной материей, расширение ускоряется.

Если гипотетическая темная энергия продолжит доминировать в энергетическом балансе Вселенной, то текущая скорость расширения продолжит возрастать, причем экспоненциально. Те структуры, которые не связаны гравитационным взаимодействием с достаточной силой, через некоторое время разлетятся. Млечный путь останется, но рядом ничего не будет. А может, разлетится вся материя.

Природа темной энергии – предмет горячих споров физиков. Некоторые считают, что это может быть энергия вакуума, представленная космологической постоянной в теории гравитации Эйнштейна. В этом случае темная энергия имеет постоянную равномерную плотность, в независимости от времени и степени расширения Вселенной. Постоянная была введена Эйнштейном для получения статической Вселенной и была отброшена после открытия ее расширения, но недавно обрела новую жизнь. Эта гипотеза согласуется с современными наблюдениями, но многие астрофизики считают их недостаточными. Необходимо больше данных, чтобы понять, меняется ли плотность темной энергии со временем.

Для того, чтобы разобраться с темной энергией, необходимо понять, как со временем менялась скорость расширения Вселенной. В этом может помочь телескоп LSST, о котором Космос-журнал уже писал. Если плотность материи известна, то история расширения содержит в себе информацию об истории количества и природы темной энергии. Она влияет на две вещи: расстояния до объектов и рост структуры темной материи Вселенной. Измеряя, как со временем менялись расстояния во Вселенной и как образовывались структуры, состоящие из темной материи, можно сделать предположения о природе темной энергии. В этом поможет телескоп LSST, который сможет проводить наблюдения с использованием гравитационного линзирования. Ключевым моментом станет возможность наблюдения сразу за большими областями неба. Телескоп позволить получить цвета и формы миллиардов галактик. До каждой из них можно будет оценить расстояние и составить картину развития Вселенной.

Если из-за темной энергии расширение Вселенной ускорялось, то развитие ее структур, вызываемое гравитационным притяжением, должно быть замедлено. Кроме того, развитие структур во времени также зависит от темной энергии, от ее уравнении состояния (отношение давления к плотности энергии). Широкоугольный обзор неба позволит определить уравнение состояния с точностью в несколько процентов. Также можно будет заметить любые вариации в плотности темной энергии в зависимости от направления и расстояния. Это позволит заглянуть ближе к Большому взрыву, понять, что происходило в начальный момент образования Вселенной.

Через доли секунды после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, в ней не существовало даже протонов и нейтронов, все они были разбиты на кварки. Этот мир квантовой гравитации на бесконечно малых расстояниях имеет связь с современным миром огромной Вселенной размером почти 14 миллиардов световых лет. Темная энергия и темная материя – отголоски далекого прошлого, в котором тон задавали неясные до конца законы квантовой гравитации. Одна из задач нового телескопа – измерение расширения космоса в течение последней половины его истории за счет наблюдения за сверхновыми и изучения реликтового излучения.