Темная энергия и задержка развития Вселенной

Хроники телескопа Чандра,
16 декабря 2008 года
П.Эдмондс

Природа темной энергии, загадочного агента, вызывающего ускорение расширения Вселенной - одна из самых больших проблем науки. Чтобы понять ее лучше, астрономы находят новые способы определить его влияние на Вселенную. Недавний прорыв в этой области был совершенный Алексеем Виклининым и его коллегами, изучает, как темная материя замедляет эволюцию больших структур, что приводит к замедлению развития Вселенной.

Что конкретно меняется в сегодняшней Вселенной с наличием темной энергии? Что если лишить раннюю Вселенную отталкивающего действия, а все остальное - количество материи, и крошечные неравномерности, наблюдаемые в космическом микроволновом фоне - осталось бы тем же? В таком сценарии, как бы Вселенная выглядела спустя 13.7 миллиарда лет? В соревновании между притяжение темной материи и отталкиванием темной энергии, что случится если изъять последнюю еще до того, как начнется вся эта игра?
Оказывается, что последствия этого будут весьма драматичны. Если бы не было темной энергии, Вселенная бы расширялась на 50% медленнее, а космические структуры - такие как галактики и скопления галактик были бы гораздо массивнее и росли бы еще больше. Поглощение галактик было бы совершенно обычным делом. Наш Млечный Путь, по всей видимости, уже бы объединился с Туманностью Андромеды, и эта огромная галактика была бы уже на пути вхождения в скопление Девы. Интересно думать о том, что этот загадочный агент, который оказал такое влияние на формирование Вселенной, известен всего 10 лет.
Эффект темной энергии иллюстрируется на следующем рисунке, показывающем, масштаб Вселенной (внизу) и рост больших структур (вверху), как они могли бы меняться со временем. Рост структур проиллюстрирован весом галактических кластеров как дял формирования новых объектов, так и для общего увеличения массы существующих скоплений.
Оранжевая линия показывает существующую Вселенную, желтая - Вселенную высокой плотности без темной энергии, синяя- Вселенную низкой плотности без темной энергии. Из графиков видно, как темная энергия сдерживает развитие Вселенной.
Еще один важный вопрос в том, можем ли мы исключить возможность, что темной энергии нет в наблюдаемой Вселенной? Чтобы исследовать его, придется придумать Вселенную, в которой темной энергии никогда не существовало, и ее расширение не ускорялось (см. синюю линию). Можно ли отличить поведение такой вселенной от поведения наблюдаемой части нашей Вселенной? И как следствие, можно ли посмотреть назад во времени на отдаленные скопления и определить влияние на них темной энергии?
Ответ из работ Виклихина и др. - однозначно "да". Наблюдаемая расширяющаяся Вселенная расширялась медленнее в прошлом чем такая же вселенная низкой плотности, но без темной энергии (приведем простую аналогию - мы обгоняем машину, которая движется медленнее, мы знаем, что движемся быстрее, это значит, что мы были позади этой машины некоторое время назад). Медленное расширение подразумевает больший рост в прошлом у расширяющейся вселенной с темной энергией, что и наблюдается в настоящий момент. Разница в массе типичного галактического скопления примерно на 30% больше, чем у вселенной низкой плотности без темной энергии. Иными словами, коэффициент увеличения массивного кластера примерно 12.5, тогда как в модели низкой плотности всего 7.
На основе предыдущих исследований кластеров, астрономы уже знали, что мы живем во Вселенной скорее низкой, чем высокой плотности. С 1998 года из измерений расстояний до галактик по сверхновым, мы знали, что темная энергия в настоящий момент доминирует масс-энергетическом составе Вселенной. Новая работа теперь раскрывает влияние темной материи на рост космических структур и, в комбинации с ранними работами, предоставляет полную картину того, что есть темная энергия.