1. Найбільша помилка Ейнштейна
2. далекі наднові
3. Великомасштабна структура Всесвіту
4. Вакуум і інші моделі
5. Як зважити структуру?

Змодельований на комп'ютері процес скучивания речовини в епоху освіти скупчень галактик. Жовті відрізки - вектора, що вказують швидкість руху речовини. Мал. KLAUS DOLAG AND THE VVDS TEAM

Останнім часом в космології - науці, яка вивчає структуру і еволюцію Всесвіту, - став широко застосовуватися термін «темна енергія», що викликає у людей, далеких від цих досліджень, щонайменше легке здивування. Часто в парі з ним виступає і інший «похмурий» термін - «темна матерія», а також згадується, що, за даними спостережень, ці дві субстанції забезпечують 95% повної щільності Всесвіту. Проллємо же промінь світла на це «царство мороку».

У науковій літературі термін «темна енергія» з'явився в кінці минулого століття для позначення фізичного середовища, що заповнює весь Всесвіт. На відміну від різних видів речовини і випромінювання, від яких можна (хоча б теоретично) повністю очистити або екранувати певний обсяг, темна енергія в сучасному Всесвіті нерозривно пов'язана з кожним кубічним сантиметром простору. З деякою натяжкою можна сказати, що сам простір має масу і бере участь в гравітаційній взаємодії. (Нагадаємо, що згідно з відомою формулою E = mc2 енергія еквівалентна масі.)

Перше слово в терміні «темна енергія» вказує на те, що ця форма матерії не випускає і не поглинає ніякого електромагнітного випромінювання, зокрема світла. З звичайною речовиною вона взаємодіє тільки через гравітацію. Слово ж «енергія» протиставляє цю середу структурованої, тобто складається з частинок, матерії, підкреслюючи, що вона не бере участі в процесі гравітаційного скучивания, що веде до створення галактик і їх скупчень. Іншими словами, щільність темної енергії, на відміну від звичайного і темної речовини, однакова в усіх точках простору.

Щоб уникнути плутанини відразу відзначимо, що ми виходимо з матеріалістичного уявлення про навколишній світ, а значить, все, що заповнює Всесвіт, - це матерія. Якщо матерія структурована, її називають речовиною, а якщо немає, як, наприклад, поле, то - енергією. Речовина, в свою чергу, ділять на звичайне і темне, орієнтуючись на те, взаємодіє воно з електромагнітним випромінюванням. Правда, за сформованою в космології традиції темна речовина прийнято називати «темною матерією». Енергія теж ділиться на два типи. Один з них - це як раз випромінювання, ще одна субстанція, що наповнює Всесвіт. Колись саме випромінювання визначало еволюцію нашого світу, але зараз його роль впала майже до абсолютного нуля, точніше до 3 градусів Кельвіна - температури так званого реліктового мікрохвильового випромінювання, що йде в космосі з усіх боків. Це залишок (релікт) гарячої молодості нашого Всесвіту. А ось про інший тип енергії, який не взаємодіє ні з речовиною, ні з випромінюванням і виявляє себе виключно гравітаційно, ми б могли ніколи не дізнатися, якби не дослідження в області космології.

З випромінюванням і звичайною речовиною, що складається з атомів, ми постійно маємо справу в повсякденному житті. Набагато менше ми знаємо про темну матерію. Проте досить надійно встановлено, що її фізичним носієм є якісь слабовзаємодіючих частки. Відомі навіть деякі властивості цих часток, наприклад, що у них є маса, а рухаються вони багато повільніше світла. Однак вони ніколи ще не реєструвалися штучними детекторами.

У 2005 році наднову типу Ia вперше спостерігали в трьох діапазонах: видимому, ультрафіолетовому та рентгенівському. Такі спостереження важливі для уточнення фізичних моделей спалахів наднових, за якими оцінюють відстані до далеких галактик. Фото: NASA, SWIFT, S. IMMLER

Найбільша помилка Ейнштейна

Питання про природу темної енергії ще туманніше. Тому, як часто буває в науці, відповідати на нього краще, описуючи передісторію питання. Вона починається в пам'ятному для нашої країни 1917 році, коли творець загальної теорії відносності Альберт Ейнштейн , Публікуючи рішення задачі про еволюцію Всесвіту, ввів у науковий обіг поняття космологічної сталої. У своїх рівняннях, що описують властивості гравітації, він позначив її грецькою буквою «лямбда» (Λ). Так вона отримала свою другу назву - лямбда-член. Призначення космологічної сталої полягало в тому, щоб зробити Всесвіт стаціонарної, тобто незмінною і вічною. Без лямбда-члена рівняння загальної теорії відносності передбачали, що Всесвіт повинен бути нестійкою, як повітряна кулька, з якого раптом зник все повітря. Всерйоз вивчати таку нестійку Всесвіт Ейнштейн не став, а обмежився тим, що відновив рівновагу введенням космологічної сталої.

Однак пізніше, в 1922-1924 роках, наш видатний співвітчизник показав, що в долі Всесвіту космологічна стала не може грати роль «стабілізатора», і ризикнув розглянути нестійкі моделі Всесвіту. В результаті йому вдалося знайти ще не відомі на той час нестаціонарні рішення рівнянь Ейнштейна, в яких Всесвіт як ціле стискалася або розширювалася.

У ті роки космологія була суто умоглядною наукою, яка намагалася чисто теоретично застосувати фізичні рівняння до Всесвіту як цілого. Тому рішення Фрідмана спочатку були сприйняті - в тому числі і самим Ейнштейном - як математичне вправу. Згадали про нього після відкриття розбігання галактик в 1929 році. Фрідмановскіх рішення прекрасно підійшли для опису спостережень і стали найважливішою і широко використовується космологічної моделлю. А Ейнштейн пізніше назвав космологічні постійну своєї «найбільшою науковою помилкою».

далекі наднові

Поступово наглядова база космології ставала все більш потужною, а дослідники вчилися не тільки задавати питання природі, а й отримувати на них відповіді. І разом з новими результатами росло і число аргументів на користь реального існування «найбільшою наукової помилки» Ейнштейна. В повний голос про це заговорили в 1998 році після спостереження далеких наднових зірок, які вказували, що розширення Всесвіту прискорюється. Це означало, що у Всесвіті діє якась розштовхує сила, а значить, і відповідна їй енергія, схожа за своїми проявами на ефект від лямбда-члена в рівняннях Ейнштейна. По суті, лямбда-член являє собою математичний опис найпростішого окремого випадку темної енергії.

Нагадаємо, що згідно зі спостереженнями космологічне розширення підкоряється закону Хаббла: чим більше відстань між двома галактиками, тим швидше вони віддаляються один від одного, причому швидкість, яка визначається по червоному зсуву в спектрах галактик, прямо пропорційна відстані. Але до недавнього часу закон Хаббла був безпосередньо перевірений лише на відносно невеликих відстанях - тих, що вдавалося більш-менш точно виміряти. Про те, як розширювалася Всесвіт в далекому минулому, тобто на великих відстанях, можна було судити тільки за непрямими наглядовою даними. Зайнятися прямий перевіркою закону Хаббла на великих відстанях вдалося лише в кінці XX століття, коли з'явився спосіб визначати відстані до далеких галактик по спалахує в них наднових зірок.

Спалах наднової - це момент в житті масивної зірки, коли вона відчуває катастрофічний вибух. Наднові бувають різних типів в залежності від конкретних обставин, що передують катаклізму. При спостереженнях тип спалаху визначають по спектру і формою кривої блиску. Наднові, які отримали позначення Ia, виникають при термоядерному вибуху білого карлика, маса якого перевищила порогове значення ~ 1,4 маси Сонця, зване межею Чандрасекара. Поки маса білого карлика менше порогового значення, сила гравітації зірки врівноважується тиском виродженого електронного газу. Але якщо в тісній подвійній системі з сусідньої зірки на нього перетікає речовина, то в певний момент електронне тиск виявляється недостатнім і зірка вибухає, а астрономи реєструють ще один спалах наднової типу Ia. Оскільки гранична маса і причина, по якій білий карлик вибухає, завжди однакові, такі наднові в максимумі блиску повинні мати однакову, причому вельми велику світність і можуть служити «стандартної свічкою» для визначення міжгалактичних відстаней. Якщо зібрати дані по багатьом таким наднових і порівняти відстані до них із червоними зміщеннями галактик, в яких траплялися спалахи, то можна визначити, як змінювався в минулому темп розширення Всесвіту, і підібрати відповідну космологічних моделях, зокрема відповідну величину лямбда-члена (щільності темної енергії).

Однак незважаючи на простоту і ясність цього методу, він стикається з низкою серйозних труднощів. Перш за все відсутність детальної теорії вибуху cверхнових типу Ia робить непевним їх статус стандартної свічки. На характер вибуху, а значить, і на світність наднової можуть впливати швидкість обертання білого карлика, хімічний склад його ядра, кількість водню і гелію, перетекшего на нього з сусідньої зірки. Як все це позначається на кривих блиску, поки достовірно невідомо. Нарешті, наднові спалахують не в порожньому просторі, а в галактиках, і світло спалаху може, наприклад, виявитися ослаблений випадковим газопилових хмара, що зустрівся на шляху до Землі. Все це ставить під сумнів можливість використання наднових в якості стандартних свічок. І якби на користь існування темної енергії був тільки цей аргумент, дана стаття навряд чи була б написана. Так що хоча «аргумент наднових» спровокував широку дискусію про темну енергію (і навіть поява самого цього терміна), впевненість космологов в її існуванні спирається на інші, більш переконливі аргументи. На жаль, вони не настільки прості, і тому описати їх можна лише в найзагальніших рисах.

Основні епохи еволюції Всесвіту: інфляція, домінування випромінювання, речовини і темної енергії. Мал. NASA, WMAP SCIENCE TEAM

Коротка історія часів

За сучасними уявленнями, народження Всесвіту має описуватися в термінах ще не створеної квантової теорії гравітації. Поняття «вік Всесвіту» має сенс для моментів часу не раніше 10-43 секунд. На менших масштабах вже не можна говорити про звичний нам лінійному плині часу. Топологічні властивості простору теж стають нестабільними. Мабуть, в малих масштабах простір-час заповнене мікроскопічними «Кротова норами» - свого роду тунелями, що з'єднують рознесені області Всесвіту. Втім, про відстані або порядку проходження подій говорити теж неможливо. У науковій літературі такий стан простору-часу з флуктуірует топологією називають квантової піною. З невідомих поки причин, можливо, через квантової флуктуації, в просторі Всесвіту виникає фізичне поле, яке у віці близько 10-35 секунд змушує Всесвіт розширюватися з колосальним прискоренням. Цей процес називають інфляцією, а що викликає його поле - інфлатонним. На відміну від економіки, де інфляція є неминучим злом, з яким потрібно боротися, в космології інфляція, тобто експоненціально швидке збільшення Всесвіту, - це благо. Саме їй ми зобов'язані тим, що Всесвіт знайшла великий розмір і плоску геометрію. В кінці цієї короткої епохи прискореного розширення запасені в інфлатонним енергія породжує відому нам матерію: розігріту до величезної температури суміш випромінювання і масивних частинок, а також ледь помітну на їх фоні темну енергію. Можна сказати, що це і є Великий вибух. Космологи говорять про цей момент, як про початок радіаційно-домінувало епохи в еволюції Всесвіту, оскільки велика частина енергії в цей час доводиться на випромінювання. Однак розширення Всесвіту триває (хоча тепер уже і без прискорення) і воно по-різному відбивається на основних типах матерії. Незначна щільність темної енергії з часом не змінюється, щільність речовини падає обернено пропорційно обсягу Всесвіту, а щільність випромінювання знижується ще швидше. У підсумку через 300 тисяч років домінуючою формою матерії у Всесвіті стає речовина, більшу частину якого становить темна матерія. З цього моменту зростання збурень густини речовини, ледь жевріла на стадії домінування випромінювання, стає досить швидким, щоб привести до утворення галактик, зірок і таких необхідних людству планет. Рушійною силою цього процесу є гравітаційна нестійкість, яка веде до скучіваніе речовини. Ледь помітні неоднорідності залишалися ще з моменту розпаду інфлатонним, але поки у Всесвіті домінувало випромінювання, воно заважало розвитку нестійкості.
Тепер основну роль починає грати темна матерія. Під дією власної гравітації області підвищеної щільності зупиняються в своєму розширенні і починають стискатися, в результаті чого з темної матерії утворюються гравітаціонносвязанние системи, звані гало. У гравітаційному полі Всесвіту утворюються «ями», в які спрямовується звичайну речовину. Накопичуючись всередині гало, воно формує галактики і їх скупчення. Цей процес утворення структур почався понад 10 мільярдів років тому і йшов по наростаючій, поки не настав останній перелом в еволюції Всесвіту. Через 7 мільярдів років (це приблизно половина нинішнього віку Всесвіту) щільність речовини, яка продовжувала знижуватися через космологічного розширення, стала менше щільності темної енергії. Тим самим завершилася епоха домінування речовини, і тепер темна енергія контролює еволюцію Всесвіту. Хоч би яка була її фізична природа, проявляється вона в тому, що космологічне розширення знову, як в епоху інфляції, починає прискорюватися, тільки на цей раз дуже повільно. Але навіть цього достатньо, щоб загальмувати формування структур, а в майбутньому воно повинно зовсім припинитися: будь-які недостатньо щільні освіти будуть розсіюватися прискореним розширенням Всесвіту. Тимчасове «вікно», в якому працює гравітаційна нестійкість і виникають галактики, закриється вже через десяток мільярдів років. Подальша еволюція Всесвіту залежить від природи темної енергії. Якщо це космологічна стала, то прискорене розширення Всесвіту триватиме вічно. Якщо ж темна енергія - це надслабку скалярний поле, то після того як воно досягне стану рівноваги, розширення Всесвіту стане сповільнюватися, а можливо зміниться стисканням. Поки фізична природа темної енергії невідома, все це не більше ніж умоглядні гіпотези. Таким чином, з певністю сказати можна тільки одне: прискорене розширення Всесвіту триватиме ще кілька десятків мільярдів років. За цей час наш космічний дім - галактика Чумацький Шлях - зіллється зі своєю сусідкою - Туманністю Андромеди (і більшістю галактик-супутників меншої маси, що входять до складу Місцевої Групи). Всі інші галактики полетять на великі відстані, так що багато хто з них не можна буде побачити навіть у найпотужніший телескоп. Що стосується реліктового випромінювання, яке приносить нам так багато важливої ​​інформації про структуру Всесвіту, то його температура впаде майже до нуля, і це джерело інформації буде втрачено. Людство залишиться Робінзоном на острові з ефемерною перспективою обзавестися хоча б П'ятницею.

Побачити темну матерію не можна, але за непрямими ознаками можна дізнатися її розподіл на різних відстанях. Надалі за такими зрізами відновлюється тривимірна карта темної матерії. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)

Великомасштабна структура Всесвіту

У космологов є два основних джерела знань про великомасштабну структуру Всесвіту. Перш за все це розподіл в навколишньому просторі, що світиться, тобто галактик. Тривимірна карта показує, в які структури - групи, скупчення, надскупчення - об'єднуються галактики і які характерні розміри, форми і чисельність цих утворень. Тим самим стає зрозуміло, як розподілено речовина в сучасному Всесвіті.

Іншим джерелом інформації служить розподіл інтенсивності реліктового випромінювання по небесній сфері. Карта неба в мікрохвильовому діапазоні несе інформацію про розподіл неоднорідностей густини в ранньому Всесвіті, коли її вік становив близько 300 тисяч років - саме тоді речовина стало прозорим для випромінювання. Кутові відстані між плямами на мікрохвильовій мапі говорять про розміри неоднорідностей в той час, а перепади яскравості (вони, до речі, дуже маленькі, близько сотої частки відсотка) вказують на ступінь ущільнення зародків майбутніх скупчень галактик. Тим самим у нас є як би два тимчасових зрізу: структура Всесвіту в моменти через 300 тисяч і 14 мільярдів років після великого вибуху .

Теорія говорить про те, що характеристики спостережуваних структур сильно залежать від того, яка частина матерії у Всесвіті припадає на речовину (звичайне і темне). Розрахунки, засновані на спостережних даних, показують, що його частка становить сьогодні близько 30% (з яких лише 5% припадає на звичайну речовину, що складається з атомів). А значить, решта 70% - це матерія, яка не входить ні в які структури, тобто темна енергія. Цей аргумент не настільки прозорий, оскільки за ним стоять складні розрахунки, що описують утворення структур у Всесвіті. Проте він дійсно сильніший. Це можна проілюструвати такою аналогією. Уявіть, що позаземна цивілізація прагне виявити розумну життя на Землі. Одна група дослідників помітила що йде від нашої планети потужне радіовипромінювання, яке періодично змінює частоту і інтенсивність, і пояснює це роботою електронного обладнання. Інша група надіслала до Землі зонд і сфотографувала квадрати полів, лінії доріг, вузли міст. Перший аргумент, звичайно, простіше, але другий - переконливіше.

Різні зрізи відносяться до різних моментів в минулому. Тому дана карта є пространственновременной і відображає еволюцію розподілу матерії. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)

Продовжуючи цю аналогію, можна сказати, що ще більш наочним свідченням розумного життя стало б спостереження за формуванням перерахованих структур. Звичайно, людині поки не під силу в реальному часі спостерігати, як формуються скупчення галактик. Проте можна визначити, як змінювалося їх число по ходу еволюції Всесвіту. Справа в тому, що в силу кінцівки швидкості світла спостереження об'єктів на великих відстанях еквівалентно Підглядання в минуле.

Темп освіти галактик і їх скупчень визначається швидкістю росту збурень густини, яка, в свою чергу, залежить від параметрів космологічної моделі, зокрема від співвідношення речовини і темної енергії. У Всесвіті з великою часткою темної енергії обурення ростуть повільно, а значить, сьогодні скупчень галактик повинно бути не набагато більше, ніж в минулому, і з відстанню їх число буде спадати повільно. Навпаки, у Всесвіті без темної енергії кількість скупчень досить швидко скорочується з поглибленням в минуле. З'ясувавши зі спостережень темп появи нових скупчень галактик, можна отримати незалежну оцінку щільності темної енергії.

Є й інші незалежні наглядові аргументи, які підтверджують існування однорідного середовища, яка справляє визначальний вплив на будову і еволюцію Всесвіту. Можна сказати, що твердження про існування темної енергії стало підсумком розвитку всієї спостережної космології ХХ століття.

Вакуум і інші моделі

Якщо в існуванні темної енергії більшість космологів вже не сумніваються, то ось щодо її природи ясності поки немає. Втім, фізики не вперше потрапляють в таке становище. Багато нові теорії починаються з феноменології, тобто формального математичного опису того чи іншого ефекту, а інтуїтивно зрозумілі пояснення з'являються набагато пізніше. На сьогодні, описуючи фізичні властивості темної енергії, космологи вимовляють слова, які для непосвяченого більше схожі на заклинання: це середовище, тиск якої дорівнює щільності енергії за величиною, але протилежно за знаком. Якщо це дивне співвідношення підставити в рівняння Ейнштейна з загальної теорії відносності, то виявиться, що таке середовище гравітаційно відштовхується від самої себе і, як наслідок, прискорено розширюється і ні за що не збереться ні в які згустки.

Не можна сказати, що ми часто маємо справу з подібною матерією. Однак саме так уже протягом багатьох років фізики описують вакуум. За сучасними уявленнями, елементарні частинки існують не в порожньому просторі, а в особливому середовищі - фізичному вакуумі, який якраз і визначає їх властивості. Це середовище може знаходитися в різних станах, що відрізняються щільністю збереженої енергії, і в різних видах вакууму елементарні частинки поводяться по-різному.

Наш звичайний вакуум володіє найменшою енергією. Експериментально виявлено існування нестійкого, більш енергійного вакууму, який відповідає так званому електрослабкої взаємодії. Він починає проявлятися при енергіях частинок понад 100 гігаелектронвольт - це всього на порядок нижче межі можливостей сучасних прискорювачів. Ще більш енергійні види вакууму передбачені теоретично. Можна припустити, що наш звичайний вакуум володіє не нульовий щільністю енергії, а саме такою, що дає потрібне значення лямбда-члена в рівнянні Ейнштейна.

Однак ця красива ідея, яка полягає в тому, щоб приписати темну енергію вакууму, не викликає захоплення у дослідників, що працюють на стику фізики елементарних частинок і космології. Справа в тому, що такого різновиду вакууму повинна відповідати енергія частинок всього близько тисячної частки електронвольт. Але цей енергетичний діапазон, що лежить на кордоні між інфрачервоним і радіовипромінювання, вже давно уздовж і поперек вивчений фізиками, і нічого аномального там не виявлено.

Тому дослідники схиляються до того, що темна енергія - це прояв нового і поки не виявленого в лабораторних умовах надслабкого поля. Ця ідея аналогічна тій, що лежить в основі сучасної інфляційної космології. Там теж надшвидке розширення молодому Всесвіті відбувається під дією так званого скалярного поля, тільки його щільність енергії набагато вища за ту, що відповідальна за нинішнє неспішне прискорення в розширенні Всесвіту. Можна припустити, що поле, яке є носієм темної енергії, залишилося як релікт Великого вибуху і довгий час перебувало в стані «сплячки», поки тривало домінування спочатку випромінювання, а потім темної матерії.

Скупчення галактик Cl 0024 + 17 діє як гравітаційна лінза. Зліва: скупчення оточене темним кільцем, в якому ослаблений світло далеких галактик. Справа: ближче до ядра скупчення видно, як зображення далеких галактик розтягуються в дуги. За таких ефектів можна оцінити масу скупчення разом з вхідною в нього темною матерією. Фото: NASA, ESA, MJ JEE (JOHN HOPKINS UNIVERSITY)

Негативний тиск і гравітаційне відштовхування

Описуючи темну енергію, космологи вважають, що її головна властивість - негативний тиск. Воно призводить до появи відразливих гравітаційних сил, про які нефахівці іноді говорять як про антигравітації. У цьому твердженні містяться відразу два парадоксу. Розберемо їх послідовно.

Як тиск може бути негативним? Тиск звичайної речовини, як відомо, пов'язано з рухом молекул. Вдаряючись об стінку посудини, молекули газу передають їй свій імпульс, відштовхують її, тиснуть на неї. Вільні частинки не можуть створити негативний тиск, не можуть «тягнути ковдру на себе», але в твердому тілі подібне цілком можливо. Непоганий аналогією негативного тиску темної енергії служить оболонка повітряної кульки. Кожен її квадратний сантиметр розтягнутий і прагне стиснутися. З'явися де-небудь в оболонці розрив, вона негайно стяглася б в маленьку гумову ганчірочку. Але поки розриву немає, негативне натяг рівномірно розподілено по всій поверхні. Причому якщо кулька надувати, гума буде ставати тонше, а запасена в її натягу енергія буде рости. Подібним чином поводиться при розширенні Всесвіту щільність речовини і темної енергії.

Чому негативний тиск прискорює розширення? Здавалося б, під дією негативного тиску темної енергії Всесвіт повинна стискатися або вже, принаймні, уповільнювати своє розширення, що почалося в момент Великого вибуху. Але все йде якраз навпаки, тому що негативний тиск темної енергії занадто ... велике.

Справа в тому, що відповідно до загальної теорії відносності гравітація залежить не тільки від маси (точніше щільності енергії), але також і від тиску. Чим більший тиск, тим сильніше гравітація. А чим більше негативний тиск, тим вона слабше! Правда, тиску, досяжні в лабораторіях і навіть в центрі Землі і Сонця, занадто малі, щоб їх вплив на гравітацію можна було помітити. Але ось негативний тиск темної енергії, навпаки, настільки велике, що пересилює тяжіння і її власної маси, і маси всього іншого речовини. Виходить, що масивна субстанція з дуже сильним негативним тиском парадоксальним чином не стискується, а навпаки, розпухає під дією власної гравітації. Уявіть собі тоталітарну державу, яке, прагнучи забезпечити свою безпеку, затискає свободу до такої міри, що громадяни масово тікають з країни, бунтують і в кінці кінців руйнують саму державу. Чому надмірні зусилля по зміцненню держави обертаються його руйнуванням? Такі властивості людей - вони пручаються придушення. Чому сильне негативний тиск замість стиснення призводить до розширення? Такі властивості гравітації, виражені рівнянням Ейнштейна. Звичайно, аналогія - це не пояснення, але вона допомагає «укласти в голові» парадокси темної енергії.

Як зважити структуру?

Темна енергія - найважливіше свідчення існування явищ, що не описуються сучасною фізикою. Тому детальне вивчення її властивостей - найважливіше завдання спостережної космології. Щоб з'ясувати фізичну природу темної енергії, необхідно в першу чергу максимально точно дослідити, як змінювався в минулому режим розширення Всесвіту. Можна намагатися прямо виміряти залежність темпу розширення від відстані. Однак через відсутність в астрономії надійних методів визначення позагалактичних відстаней досягти на цьому шляху необхідної точності практично неможливо. Але є інші, більш перспективні способи вимірювання темної енергії, які є логічним розвитком структурного аргументу на користь її існування.

Піраміда матерії у Всесвіті за сучасними уявленнями. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)

Як уже зазначалося, темп освіти структур дуже сильно залежить від щільності темної енергії. Сама вона не може скучиваться і створювати структури і перешкоджає гравітаційному скучіваніе темної і звичайної матерії. До речі, тому в нашу епоху ті грудки речовини, які ще не почали стискатися, поступово «розчиняються» в море темної енергії, перестаючи «відчувати» взаємне притягання. Людство, таким чином, є свідком максимального в історії Всесвіту темпу освіти структур. Надалі він буде тільки зменшуватися.

Щоб визначити, як змінювалася з часом щільність темної енергії, потрібно навчитися «зважувати» структуру Всесвіту - галактики і їх скупчення - на різних червоних зсувах. Є багато способів це зробити, адже об'єкти вимірювання - галактики - добре вивчені і видно навіть на великих відстанях. Найбільш прямолінійний підхід полягає в ретельному підрахунку галактик і їх структур по згадуваної тривимірній карті просторового розподілу галактик. В іншому методі маса структури оцінюється по створюваному нею неоднорідного гравітаційного поля. Проходячи через структуру, світло відхиляється її гравітацією, і в результаті видимі нами зображення далеких галактик деформуються. Цей ефект називається гравітаційним лінзуванням. Вимірюючи виникають спотворення, можна визначити (зважити) структуру на шляху проходження світла. Цим методом вже зроблені перші успішні спостереження, а на майбутнє заплановані космічні експерименти - адже треба досягти максимальної точності вимірювання.

Отже, ми живемо в світі, динаміка розширення якого управляється невідомою нам формою матерії. А єдино достовірне знання про неї, крім факту її існування, - це рівняння стану вакуумоподобной типу, та сама своєрідна зв'язок між щільністю енергії і тиском. Поки нам невідомо, чи змінюється характер зв'язку з цим з часом, і якщо так, то як. А значить, все міркування про майбутнє Всесвіту, по суті, є спекулятивними, заснованими в значній мірі на естетичних поглядах їхніх авторів. Але ми вступили в еру точної космології, заснованої на високотехнологічних інструментах для спостереження і розвинених статистичних методах обробки даних. Якщо астрономія буде і далі розвиватися такими ж темпами, як сьогодні, загадка темної енергії буде розгадана вже нинішнім поколінням дослідників.