Исследователи обнаружили возможный способ обнаружения и измерения темной энергии, изучая движение между Млечным Путем и галактикой Андромеды. Этот метод, который все еще находится на ранней стадии разработки, может оценить верхний предел космологической постоянной (простой модели темной энергии), который в пять раз превышает значение, определенное для ранней Вселенной.
Ученые использовали очень далекие галактики для изучения темной энергии с момента ее первого открытия в конце 1990-х годов, но до сих пор не обнаружили ее напрямую. Однако исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что, изучая, как Галактика Андромеда и Млечный Путь движутся навстречу друг другу, учитывая их общую массу, они могут установить верхний предел значения космологической постоянной — простейшей модели темной энергии. Найденный ими верхний предел в пять раз превышает значение космологической постоянной, которую можно обнаружить в ранней Вселенной.
Хотя технология все еще находится на ранней стадии разработки, возможно, удастся обнаружить темную энергию, изучая наше космическое окружение, говорят исследователи. Результаты были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.
Все, что мы можем видеть в нашем мире и на небе — от крошечных насекомых до гигантских галактик — составляет всего пять процентов наблюдаемой Вселенной. Остальное — темная материя: ученые полагают, что около 27 процентов Вселенной состоит из темной материи, которая удерживает объекты вместе, а 68 процентов — это темная энергия, которая раздвигает объекты.
Ведущий автор доктор Дэвид Бенисти из Департамента прикладной математики и теоретической физики сказал: «Тёмная энергия — это общий термин для семейства моделей, которые можно добавить к теории гравитации Эйнштейна. Её простейшая версия известна как космологическая константа: постоянная плотность энергии, которая отталкивает галактики друг от друга».
Космологическая постоянная была импровизированным дополнением Эйнштейна в его общей теории относительности. С 1930-х по 1990-е годы космологическая постоянная была равна нулю, пока не была обнаружена неизвестная сила — темная энергия — которая вызывала ускорение расширения Вселенной. Однако с темной энергией есть как минимум две большие проблемы: мы не знаем, что это такое, и не обнаружили ее напрямую.
С момента ее первого открытия астрономы разработали множество методов обнаружения темной энергии, большинство из которых включают изучение объектов ранней Вселенной и измерение того, насколько быстро они удаляются от нас. Расшифровка последствий темной энергии миллиарды лет назад — непростая задача: поскольку темная энергия является слабой силой между галактиками, ее легко преодолеть гораздо более сильные силы внутри галактик.
Однако есть одна область Вселенной, которая удивительно чувствительна к темной энергии, и она находится прямо на нашем космическом заднем дворе. Андромеда — ближайшая к нашему Млечному Пути галактика, и эти две галактики сталкиваются. По мере того, как расстояние становится ближе, две галактики начнут вращаться вокруг друг друга – очень медленно. Одна орбита занимает 20 миллиардов лет. Однако из-за огромной гравитации две галактики начнут сливаться и сталкиваться друг с другом до того, как отдельные орбиты завершатся, примерно через 5 миллиардов лет.
Бенисти сказал: «Андромеда — единственная галактика, которая находится недалеко от нас, поэтому, изучая ее массу и движение, мы сможем сделать некоторые суждения о космологической постоянной и темной энергии».
Бенисти и его соавторы — профессор Энн Дэвис из DAMTP и профессор Вин Эванс из Института астрономии — провели серию симуляций, основанных на лучших оценках масс двух галактик, и обнаружили, что темная энергия влияет на взаимодействие Андромеды и Млечного Пути.
«Темная энергия влияет на каждую пару галактик: гравитация хочет стянуть галактики вместе, в то время как темная энергия раздвигает их», — сказал Бенисти. «В нашей модели, если мы изменим значение космологической постоянной, мы сможем увидеть, как оно меняет орбиты двух галактик. Основываясь на их массах, мы можем определить верхний предел космологической постоянной, которая примерно в пять раз выше, чем то, что мы измеряем в других частях Вселенной».
По словам исследователей, хотя этот метод может оказаться очень ценным, он не может напрямую обнаружить темную энергию. Данные телескопа Джеймса Уэбба (JWST) обеспечат более точные измерения массы и движения Андромеды, что поможет снизить верхний предел космологической постоянной.
Кроме того, изучая другие пары галактик, можно будет дополнительно усовершенствовать эту методику и определить, как темная энергия влияет на нашу Вселенную. «Темная энергия — одна из величайших загадок космологии. Ее эффекты могут меняться в зависимости от расстояния и времени, но мы надеемся, что этот метод поможет разгадать эту тайну», — сказал Бенисти.