ТАМНА ЕНЕРГИЈА: НАЈВЕЋА МИСТЕРИЈА У СВЕМИРУ

Два пута дневно, седам дана у недељи, од фебруара до новембра током последње четири године, два истраживача су се слојила са термалним доњим вешом и горњом одећом, са флисом, фланелом, двоструким рукавицама, двоструким чарапама, подстављеним комбинезонима и натеченим црвеним паркама, оплакујући себе док не изгледају као близанци Мицхелин Мен-а. Затим изађу вани, тргујући топлином и модерним благодатима научне станице (фосбалл, фитнес центар, 24-часовна кафетерија) за безобразан пејзаж Фашренхеита од минус 100 степени, равнији од Канзаса и једног од најхладнијих места на планети. Они се крећу у тами скоро миљу, преко висоравни снега и леда, све док не виде на позадини више звезда него што их је икада видео проматрач дворишта, силуета џиновског диска телескопа Јужне пол., где се придружују глобалном напору да реше вероватно највећу загонетку у универзуму: од чега се састоји већина.

Сличан садржај

Преостале фотографије пловидбе Јужног пола Пољака

Хиљадама година наша је врста проучавала ноћно небо и питала се има ли нешто друго напољу. Прошле године смо прославили 400. годишњицу Галилејевог одговора: Да. Галилео је на небесима обучио нови инструмент, телескоп, и видео предмете које још нико није видео: стотине звезда, планине на Месецу, сателити Јупитера. Од тада смо пронашли више од 400 планета око других звезда, 100 милијарди звезда у нашој галаксији, стотине милијарди галаксија изван наше властите, чак и слабо зрачење које је одјек Великог праска.

Сада научници мисле да би чак и овај екстравагантни попис свемира могао бити једнако застарео као космос пет планета који је Галилео наследио од старих. Астрономи су сакупили доказе да оно што смо одувек сматрали стварним универзумом - ја, ти, овај магазин, планете, звезде, галаксије, сва материја у свемиру - представља само 4 процента онога што је заправо тамо. Остало које зову, желећи бољу реч, тамно: 23 процента је нешто што називају тамном материјом, а 73 процента нешто још мистериозније, што називају тамном енергијом.

"Имамо комплетан попис свемира", рекао је Сеан Царролл, козмолог Калифорнијског технолошког института, "и то нема смисла."

Научници имају неке идеје о томе што би могла бити тамна материја - егзотичне и још увек хипотетичке честице - али они једва имају појма о тамној енергији. 2003. године, Национално веће за истраживање навело је „Каква је природа тамне енергије?“ Као један од најупечатљивијих научних проблема наредних деценија. Шеф комитета који је написао извештај, космолог Универзитета у Чикагу Мицхаел С. Турнер, иде даље и оцењује тамну енергију као "најдубљу мистерију у целој науци".

Напор да се то реши мобилизирао је генерацију астронома у преиспитивању физике и космологије да би се надметали и можда надмашили револуцију коју је Галилео покренуо у јесењој вечери у Падови. Они се слажу са дубоком иронијом: сам поглед нас је заслепио скоро цео универзум. А препознавање ове слепоте нас је, заузврат, инспирисало да први пут питамо: Шта је овај космос који зовемо дом?

Научници су 70-их година прошлог века постигли консензус да свемиру постоји више него што види око. У рачунарским симулацијама наше галаксије, Млечном путу, теоретичари су открили да се центар неће задржати - на основу онога што ми можемо да видимо, наша галаксија нема довољно масе да одржи све на свом месту. Како се ротира, требало би да се распада, испуштајући звезде и гас у свим правцима. Или спирална галаксија попут Млечног пута крши законе гравитације, или светлост која потиче из ње - из огромних ужарених облака гаса и безбројних звезда - је нетачан показатељ масе галаксије.

Али шта ако неки део масе галаксије не зрачи светлошћу? Ако би спиралне галаксије садржавале довољно такве мистериозне масе, онда би се оне могле придржавати закона гравитације. Астрономи су невидљиву масу назвали "тамном материјом".

"Нитко нам није рекао да је сва материја зрачила", рекла је Вера Рубин, астроном чија су запажања ротације галаксија дала доказ за тамну материју. "Само смо претпоставили да јесте."

Напор да се разуме тамна материја дефинисао је већи део астрономије у наредне две деценије. Астрономи можда не знају шта је тамна материја, али закључивање њене присутности омогућило им је да на нови начин поставе вечно питање: Шта је судбина универзума?

Већ су знали да се универзум шири. Године 1929. астроном Едвин Хуббле открио је да се удаљене галаксије удаљавају од нас и да што су даље, то се брже чинило да се повлаче.

Ово је била радикална идеја. Уместо дрског, вечито непроменљивог мртвог живота какав је свемир некада изгледао, заправо је био жив у времену, попут филма. Премотавање филма ширења и свемир би на крају достигао стање бесконачне густине и енергије - што астрономи називају Велики прасак. Али шта ако ударите брзо напред? Како би се прича завршила?

Универзум је пун материје, а материја привлачи другу материју путем гравитације. Астрономи су закључили да узајамно привлачење свега што је важно мора успорити ширење универзума. Али нису знали какав ће бити крајњи исход. Да ли би гравитациони ефекат био толико снажан да би се свемир на крају протегнуо на одређену удаљеност, зауставио се и преокренуо попут кугле која је бачена у ваздух? Или би било тако незнатно да свемир може избећи своје схватање и никада се не престати ширити, попут ракете која напушта Земљину атмосферу? Или смо живјели у изванредно уравнотеженом универзуму, у којем гравитација осигурава брзину ширења Златкоцкица ни пребрзо ни преспоро - тако да би универзум на крају залетио виртуално?

Под претпоставком постојања тамне материје и да је закон гравитације универзалан, два тима астрофизичара - један је водио Саул Перлмуттер, из Националне лабораторије Лавренце Беркелеи, а други Бриан Сцхмидт, са Аустралијског националног универзитета - са циљем да одреде будућност универзума. Током деведесетих супарнички тимови пажљиво су анализирали бројне експлодирајуће звезде или супернове, користећи необично ведре, краткотрајне удаљене предмете да би мерили раст свемира. Знали су колико сјајне супернове треба да се појављују у различитим тачкама свемира ако су брзине ширења уједначене. Упоређујући колико су се светлије супернове заиста појавиле, астрономи су закључили да могу одредити колико се ширење универзума успорава. Али на изненађење астронома, када су погледали на пола пута у свемиру, удаљеном шест или седам милијарди светлосних година, открили су да супернове нису светлије - и зато ближе - него што се очекивало. Били су тамнији - то јест, удаљенији. Оба тима су закључила да се ширење свемира не успорава. Убрзава.

Импликација тог открића била је важна: значила је да доминантна сила у еволуцији универзума није гравитација. То је ... нешто друго. Оба тима су своја открића објавила 1998. године. Турнер је дао нешто надимку: тамна енергија. Заглавило се. Од тада астрономи истражују мистерију тамне енергије до крајева Земље - буквално.

„Јужни пол има најсуровију околину на Земљи, али је и најсвечаније“, каже Виллиам Холзапфел, калифорнијски универзитет у Берклију, астрофизичар који је био главни истраживач на Телескопу Јужни пол (СПТ) током посете.

Није мислио на временске прилике, мада је у недељи између Божића и Нове године - раног лета на јужној хемисфери - сунце сијало 24 сата, температуре су једва биле минус минус једноцифрене цифре (а један дан је чак прекинуо нулу ), а ветар је био углавном миран. Холзапфел је прошетао станицом јужне полутке Националне фондације за науку Амундсен-Сцотт (бацање снежне кугле са традиционалног места самог штапа, које је обележено да, штапом) до телескопа у траперицама и тенисицама. Једног поподнева зграда лабораторија телескопа се тако загријала да је посада отворила врата.

Али из астрономске перспективе, све док Сунце не зађе и зађе - од марта до септембра - да ли Јужни пол постаје „доброћудан“.

„Постоји шест месеци непрекидних података“, каже Холзапфел. Током 24-часовне таме аустралске јесени и зиме, телескоп ради нон-стоп под беспрекорним условима астрономије. Атмосфера је танка (ступ је виши од 9.300 метара надморске висине, од чега је 9.000 леда). Атмосфера је такође стабилна, због непостојања ефеката загревања и хлађења излазећег и залазећег сунца; на полу има неке од најмилијих ветрова на Земљи, и они скоро увек дувају из истог смера.

Можда је најважније за телескоп, ваздух је изузетно сув; технички гледано, Антарктика је пустиња. (Изломљене руке могу да потрају недељама да се излече, а знојење није баш хигијенски проблем, тако да ограничење на два тушева недељно за очување воде није много проблем. Као што ми је један ветеран један пол рекао: "Оног тренутка када одете повратак кроз обичаје у Цхристцхурцху [Нови Зеланд], тада ће вам требати туш. “) СПТ открива микроталасе, део електромагнетног спектра који је посебно осетљив на водену пару. Влажни ваздух може да апсорбује микроталасе и спречава их да дођу до телескопа, а влага емитује сопствено зрачење, што би могло бити погрешно тумачено као космички сигнали.

Да би ове проблеме свели на минимум, астрономи који анализирају микроталасе и субмилиметарске таласе учинили су Јужни пол другим домом. Њихови инструменти се налазе у Мрачном сектору, уском скупу зграда у којима се светлост и други извори електромагнетног зрачења своде на минимум. (У близини су Мирни сектор, за сеизмолошка истраживања и Сектор за чисти ваздух, за климатске пројекте.)

Астрономи воле да кажу да би ради нетакнутијих посматрачких услова морали да оду у свемир - експоненцијално скупљи предлог и НАСА генерално не жели да следи ако науку на Земљи не буде лако. (Сателит тамне енергије укључен је и искључен из плоче за цртање од 1999. године, а прошле године се вратио „на квадрат један“, каже један НАСА-ин саветник.) Бар на Земљи, ако нешто пође по злу са инструментом, немојте Не треба да командујете шатлом да бисте га поправили.

Сједињене Државе одржавале су се током цијеле године присутности на ступу од 1956. године, и до сада је амерички Антарктички програм Националне фондације за науку оживео до, пак, науке. До 2008. године, станица је била смештена у геодетској куполи чија је круна још увек видљива изнад снега. Нова базна станица више личи на мали брод за крстарење више од удаљене стазе и спава више од 150, све у приватним одајама. Кроз прозоре који воде на два спрата, можете сагледати хоризонт хипнотички као било који океан. Нова станица почива на лифтовима који, како се снег накупља, омогућавају да се на њој спајају две пуне приче.

Снежне падавине у овом ултра сухом региону могу бити минималне, али оно што дува са ивица континента и даље може да направи неред, стварајући један од најсвечанијих задатака СПТ-овој посади за зиму. Једном недељно током мрачних месеци, када се популација станица смањи на око 50, два истраживача СПТ на лицу места морају се попети на микровалну пећницу широку 33 стопе и видети све чисто. Телескоп прикупља податке и шаље их на радне површине удаљених истраживача. Двојица „зимских зимница“ проводе дане и радећи на подацима, анализирајући их као да су се вратили кући. Али када телескоп погоди пропуст и огласи се аларм на њиховим лаптопима, они морају да схвате у чему је проблем - брзо.

„Сат времена промашаја је хиљаде долара изгубљеног посматрања, “ каже Кеитх Вандерлинде, један од две зимске зимнице у 2008. години. „Увек постоје мале ствари. Вентилатор ће се сломити јер је тамо доле суво, све подмазивање нестаје. Тада ће се рачунар прегревати и искључити, и одједном смо пали и немамо појма зашто. “У том тренутку околина се можда не чини тако„ бенигна “. Ни један лет не иде на Јужни пол или од њега од марта до октобра (моторно уље авиона би се желатинозирало), тако да ако зимске прекапне не могу поправити све што је поломљено, остаје сломљено - што се још није догодило.

Више од већине наука астрономија зависи од чула вида; пре него што астрономи могу да замисле свемир као целину, прво морају да смисле како да опазе тамне делове. Знање шта је тамна материја помогло би научницима да размишљају о томе како се формира структура универзума. Знање шта тамна енергија помаже научницима да размишљају о томе како се та структура временом развијала - и како ће се даље развијати.

Научници имају неколико кандидата за састав тамне материје - хипотетичке честице које се називају неутралиноси и аксионе. За тамну енергију, међутим, изазов је схватити не шта је, већ шта је то. Астрономи посебно желе да знају да ли се тамна енергија мења у простору и времену или је константна. Један од начина да се проучи је мерење такозваних барионских акустичких осцилација. Када је свемир још у повојима, стар свега 379.000 година, довољно се охладио да се бариони (честице направљене од протона и неутрона) одвоје од фотона (пакетића светлости). То одвајање оставило је иза себе отисак - звано космичка микроталасна позадина - који се и данас може открити. Укључује звучне таласе („акустичне осцилације“) који су се кретали кроз дечји универзум. Врхови тих осцилација представљају подручја која су нешто гушћа од остатка свемира. А зато што материја привлачи материју путем гравитације, ти су региони постајали још гушћи како се свемир стара, спајајући се прво у галаксије, а затим у гроздове галаксија. Ако астрономи упоређују оригиналне осцилације космичке микроталасне позадине са расподјелом галаксија у различитим фазама историје универзума, они могу измјерити брзину ширења универзума.

Други приступ дефинисању тамне енергије укључује методу која се назива гравитационо сочивање. Према теорији Алберта Ајнштајна о општој релативности, чини се да се светлосни сноп који путује кроз простор савија због гравитационог повлачења материје. (Заправо, само се простор савија и светлост иде само уз јачину.) Ако два грозда галаксија леже дуж једне видне линије, кластер предњег дела делује као сочиво које искривљава светлост која долази из позадинског кластера. Ово изобличење може астрономима рећи масу предњег плана. Узимањем узорака милиона галаксија у различитим деловима свемира, астрономи би требали бити у могућности да процене брзину којом су се галаксије временом срушиле у кластере, а та брзина ће им заузврат рећи колико се брзо свемир проширио у различитим тачкама своје историје.

Телескоп Јужног пола користи трећу технику, која се назива ефект Суниаев-Зел'довицх, именован за двојицу совјетских физичара, који црта космичку микроталасну позадину. Ако фотон из последњег комуницира с топлим гасом у кластеру, он ће доживјети незнатно повећање енергије. Откривање ове енергије омогућава астрономима да пресликају те кластере и мере утицај тамне енергије на њихов раст током историје универзума. То је, бар, нада. „Много људи у заједници је развило оно што ја сматрам здравим скептицизмом. Кажу: "То је сјајно, али покажите нам новац", каже Холзапфел. "А мислим да ћемо за годину или две бити у могућности да то учинимо."

СПТ тим се фокусира на накупине галаксија, јер су то највеће структуре у свемиру, које се често састоје од стотина галаксија - оне су милион милијарди пута веће од масе Сунца. Како тамна енергија гура свемир да се шири, све ће се теже повећавати кластери галаксија. Они ће постати удаљенији један од другог, а универзум ће постати хладнији и усамљенији.

Кластери галаксија "су некако попут канаринаца у руднику угља у смислу формирања структуре", каже Холзапфел. Ако би се густоћа тамне материје или својства тамне енергије променила, обиље кластера „било би прво што би се изменило.“ Телескоп Јужног пола требало би да буде у стању да прати кластере галаксије током времена. „Можете рећи:„ Пре толико милијарди година, колико кластера је било, а колико сада? “, Каже Холзапфел. "И упоредите их са својим предвиђањима."

Ипак, све ове методе имају упозорење. Они претпостављају да довољно разумемо гравитацију, која није само сила супротстављања тамној енергији, већ је сам темељ физике у последња четири века.

Двадесет пута у секунди ласер на висини у планинама Сацраменто у Новом Мексику циља пулс светлости на Месец, удаљен 239.000 миља. Циљ греде је један од три рефлектора величине кофера које су астронаути Аполона засадили на месечевој површини пре четири деценије. Фотони снопа одбијају се од огледала и враћају се у Нови Мексико. Укупно време путовања у обиласку: 2, 5 секунде, мање или више.

То „мање-више“ чини све разлике. Одређујући време брзине светлости, истраживачи Лунарне операције опсерваторија у Апаче тачки (АПОЛЛО) могу да мере меру Земље и Месеца у тренутку и тренутку и пресликају Месечеву орбиту са изузетном прецизношћу. Као и у апокрифној причи о Галилеу који баца куглице са Лежећег торња у Пизи како би тестирао универзалност слободног пада, АПОЛЛО третира Земљу и Месец као две кугле које падају у гравитационо поље Сунца. Марио Ливио, астрофизичар са Института за свемирски телескоп у Балтимору, то назива „апсолутно невероватним експериментом.“ Ако орбита Месеца показује и најмање одступање од Аинстеинових предвиђања, научници ће можда морати да преиспитају његове једначине - а можда чак и постојање тамне материје и тамне енергије.

"Еинстеин је за сада на мјесту", каже један од главних посматрача АПОЛЛО-а, астроном Руссет МцМиллан, док њен петогодишњи пројекат прелази пола пута.

Чак и ако се Аинстеин није држао, истраживачи би прво морали да елиминишу друге могућности, као што је грешка у мери масе Земље, Месеца или Сунца, пре него што су признали да општа релативност захтева коректив. Упркос томе, астрономи знају да гравитацију узимају здраво за готово. Они су закључили постојање тамне материје због њених гравитационих ефеката на галаксије и постојање тамне енергије због његових антигравитационих ефеката на ширење свемира. Шта ако претпоставка која стоји у основи ових двоструких закључака - да знамо како гравитација делује - није погрешна? Да ли теорија универзума може бити још необичнија од оне која представља тамну материју и тамну енергију? Да би сазнали, научници тестирају гравитацију не само широм свемира, већ и преко радне површине. Донедавно физичари нису мерили гравитацију у изузетно блиским интервалима.

„Запањујуће, зар не?“, Каже Ериц Аделбергер, координатор неколико гравитационих експеримената који се одвијају у лабораторији на Универзитету Васхингтон, Сијетл. „Али не би било изненађујуће ако бисте то покушали учинити“ - ако бисте покушали тестирати гравитацију на удаљеностима краћим од милиметра. Тестирање гравитације није ствар само постављања два објекта један у други и мјерења привлачности између њих. Све друге ствари могу вршити гравитациони утицај.

"Овде је метал", каже Аделбергер, показујући на инструмент у близини. "Овде је брдо" - машући према неком тренутку поред бетонског зида који окружује лабораторију. „Тамо је језеро.“ У тлу се такође налази ниво подземне воде, који се мења сваки пут када пада киша. Затим је ту ротација Земље, положај Сунца, тамна материја у срцу наше галаксије.

Током протекле деценије, тим из Сијетла измерио је гравитациону привлачност између два објекта на мањим и мањим растојањима, до 56 микрона (или 1/500 инча), само да би се уверили да Аинстеинове једнаџбе гравитације остају тачне и на најкраћим удаљеностима, такође. За сада то раде.

Али чак је Ајнштајн признао да његова теорија опште релативности није у потпуности објаснила свемир. Последњих 30 година свог живота провео је покушавајући да усклади своју велику физику са физиком веома мале - квантне механике. Он није.

Теоретичари су наишли на све врсте могућности у покушају усклађивања опште релативности са квантном механиком: паралелни универзуми, сударајући универзуми, универзални мехурићи, универзуми са додатним димензијама, универзуми који се вечно репродукују, универзуми који скачу од Великог праска до Великог падања до Великог Прасак.

Адам Риесс, астроном који је сарађивао са Брајаном Сцхмидтом на откривању тамне енергије, каже да свакодневно гледа на Интернет локацију (ккк.ланл.гов/арцхиве/астро-пх) где научници објављују своје анализе како би видели које су нове идеје тамо. "Већина их је прилично лукава", каже он. "Али могуће је да ће неко изаћи са дубоком теоријом."

За све своје напретке, испоставило се да астрономија делује под погрешном, ако је разумном претпоставком: оно што видите је оно што добијете. Сада се астрономи морају прилагодити идеји да свемир није ствар нас - у великој шеми ствари, наше врсте и наше планете и наше галаксије и све што смо икада видели јесте теоријски физичар Лавренце Краусс са Државног универзитета у Аризони је рекао, „мало загађења“.

Ипак, космолози нису обесхрабрени. „Стварно су тешки проблеми велики“, каже Мицхаел Турнер, „јер знамо да ће им требати сулуду нову идеју.“ Како је на недавној конференцији о тамној енергији рекао Андреас Албрецхт, космолог са Калифорнијског универзитета у Давису: "Ако поставите временску траку историје науке пре мене и ја бих могао да изаберем било које време и поље, то бих желео да будем."

Рицхард Панек писао је о Еинстеину за Смитхсониан- а 2005. Његова књига о тамној материји и тамној енергији појавиће се 2011. године.

Мицхаел Турнер сковао је термин "тамна енергија" 1998. Нико не зна шта је то. (Љубазно од Мајкла Турнера)

Научници који раде на Јужном полу налазе се у објекту који се одмара на гребенима који су подигнути како се снег накупља. (Кеитх Вандерлинде / Национална фондација за науку)

Инжењер Дана Хрубес прилагођава батерију у погону Јужног пола. (Цалее Аллен / Национална научна фондација)

Без летова авиона током најмрачније половине године, истраживачи се брину за себе узгајајући свеже поврће под вештачком светлошћу. (Бриен Барнетт / Антарктичко сунце)

Далеко од вањске светлости и зароњен у вишемјесечну таму, телескоп Јужног пола Антарктике једно је од најбољих мјеста на Земљи за посматрање остатка свемира. (Кеитх Вандерлинде / Национална фондација за науку)

Укратко, свемир је започео Великим праском пре готово 14 милијарди година, брзо се надувао и шири се и данас. (НАСА / ВМАП научни тим)

Уместо да успорава, научници кажу да се ширење убрзава, вођена тамном енергијом. Ова мапа врућих тачака у дечјем универзуму показује где се материја касније концентрисала и рађала галаксије. (НАСА / ВМАП научни тим)

Астрономи попут Руссета МцМилана користе гравитацију у свом лову на тамну енергију. (Гретцхен Ван Дорен)

Научници из опсерваторија Апацхе Поинт у Новом Мексику више пута циљају ласерски сноп на Месец и време повратка светлости на Земљу, дајући им удаљеност Месеца до милиметра. (Гретцхен Ван Дорен / Конзорцијум за астрофизичка истраживања)