Вселената става все по-загадъчна! Освен тъмното вещество учените вече изследват и тъмната енергия

Нобеловата награда по физика за 2019 г.
си поделят учени, които  се занимават с еволюцията на Вселената и мястото на Земята в Космоса. Джеймс Пибълс от Университета в Принстън, САЩ, е удостоен за своите теоретични достижения във физическата космология. Другата половина от наградата получават учени за откриването на екзопланети – планети извън Слънчевата система, пише Аз Буки

„Важно е да се подчертае, че това е четвърта поред Нобелова награда за космология, което е сериозно признание за нашата наука“, казва проф. Даниела Кирилова от Института по астрономия на БАН. 

Първото високо отличие е от 1978 г. Получават го радиоастрономите Арно Пензиас и Робърт Удроу Уилсън, които през 1965 г. случайно регистрират космичния  микровълнов фон (КМФ). Това е реликтово излъчване, датиращо от ранния горещ стадий на нашата Вселена, когато тя е на 380 хиляди години след взрива. Те успяват да го регистрират, без да осъзнават космологичната значимост на откритието си. Техни колеги космолози от научния екип на Робърт Дике, сред които младият теоретик Джеймс Пибълс, им обясняват какво велико откритие са направили. Парадоксът е, че космолозите по това време съзнателно търсят космичния микровълнов фон, но късметът на откриватели се пада на радиоастрономите.

След откритието на КМФ започва бурно развитие на физичната космология и утвърждаване на модела на еволюционираща гореща Вселена. Причината за тове е, че детектирането на този фон е едно от най-силните доказателства за горещ ранен стадий на Вселената. От 1929 г., от времето на Едуин Хъбъл, се знае че Вселената се разширява – по наблюдение на разбягването на галактиките. Но все още дълги години продължава научният спор между двете групи космолози – едните поддръжници на горещо начало и еволюция на Вселената, другите, чиито възгледи дълги години господстват, подкрепят модела на стационарна Вселена.

„Те приемат разширението, но не и физическата еволюция на Вселената – подчертава проф. Кирилова. – Този стар модел битува в науката до откритието на Пензиас и Уилсън през 1965 г.
въпреки брилятните идеи на Георги Гамов още от 40-те години на миналия век. Той е руски учен, емигрирал в САЩ, и е основоположник на модела на горещата Вселена, в рамките на който предсказва съществуването на космичния микровълнов фон и оценява температурата му днес. 

Откритието на космичния  микровълнов фон е много важно, защото потвърждава, че е имало горещо начало на Вселената, от което този фон е остатък. И понеже Вселената се е разширявала, температурата на този фон е падала – обратно пропорционално на мащабите във Вселената. Затова той изстива и сега го наблюдаваме на 2,7 Келвинови градуса – при образуването си някога е бил 3000 градуса. Откритието преобръща представите ни за това, което е била нашата вселена в миналото. Сега вече 99% от астрономите обсъждат горещо начало на Вселената.“

Следващата Нобелова награда за космология е присъдена през 2006 г. и отново е свързана с космичния микровълнов фон – посветена е на определянето на основни негови характеристики: спектър на абсолютно черно тяло, висока степен на изотропия и откриването на малка анизотропия. А именно, през 1992 г. най-после е открита

дълго търсената анизотропия на космичния микровълнов фон – характеристика, която от години предизвиква учените.

Реликтовият микровълнов фон, който е изотропен, трябва все пак да съдържа малки неизотропности, които впоследствие да доведат до образуването на различните наблюдавани днес в нашата вселена структури, като галактики, купове и свръхкупове от галактики.

„Днешната Вселена не е еднородна, тя е такава само в големи мащаби – уточнява проф. Кирилова. – В нея има галактики и купове от галактики – структури, които трябва да са оставили свой отпечатък на този много ранен стадий, когато се образува фонът. Но преди епохата на образуване на фона, което става 380 000 години след началото, фотоните са си взаимодействали с веществото в ранната Вселена. Нееднородностите, от които след това чрез гравитационно скупчване са се образували  галактиките, е трябвало да оставят някаква следа в еднородния температурен фон. През 70 – 80-те години на миналия век се очакваше тези нееднородности да довеждат до малки отклонения в температурата на фона 1 на 10 000.  Но такава анизотропия не е намерена. Това подтикна Пийбълс и други учени да предположат, че освен видимото вещество от неутрони, протони и прочие, което ни е добре познато, има и друго т.нар. тъмно вещество в големи количества (което се проявява само чрез гравитационните си взаимодействия). Днес това вече е възприета компонента в нашата вселена, указана и от множество други наблюдения.

Първите, които откриха анизотропията на космичния микровълнов фон, са учените на руската мисия „Реликт“ –  първата космическа мисия, посветена на изследване на фона. По-късно, през 1992 г., американският сателит „Кобе“ с по-висока достоверност детектира анизотропията с големина на един порядък по-малка от първоначално очакваната, т.е. 2 към 100 000. Така че, за да бъдат обяснени размерите на наблюдаваните днес структури, се наложи като съществена компонента на Вселената да се въведе тъй нареченото тъмно вещество.

Детектирането през 1992  г. на следите от първични нееднородности във фоновото лъчение донесе Нобеловата награда на тима на Кобе, на неговия ръководител Джон Мадър и на Джордж Смут.

Изследването на свойствата на този фон ни дава ценна информация за всички физически характеристики на Вселената. Следващите мисии след Кобе, Вилкинсон Мап и Планк позволиха развитието на прецизна космология. Преди това точността на определяне на космологичните параметри е между 5% и 30%,  а сега вече става дума за точност между 5% и 1 %, което е фантастично.“

Третата поред Нобелова награда за космология е през 2011 г.
и е дадена на Саул Перлмутер, Браян Шмит и Адам Рииз за наблюдения на свръхнови звезди, които утвърждават ускореното разширение на Вселената – т.е. Вселената се разширява, но не със забавяне, както вярваха тогава всички космолози и астрономи, а с ускорение. Т.е.  установено е, че от един момент нататък, около 5 млрд. години назад във времето,  е започнало ускоряващо се разширение.

„Това е удивително, защото от законите на физиката следва, че  веществото във Вселената забавя нейното разширение – казва проф. Кирилова. – Наблюдаваното ускорено разширение може да се обясни в рамките на Общата теория на относителността, ако се предположи, че има компонента на Вселената, наречена тъмна енергия, различна от познатите ни досега, която да предизвиква антигравитация. Това е възможно, в случай че налягането на тази компонента е отрицателно. Различните компоненти имат различно влияние в различни периоди от време. Когато тази компонента с отрицателно налягане започне да доминира, тя довежда до  ускорено разширение.“

Нобеловата награда за 2019 г.
по космология е присъдена за теоретичните приноси на Джеймс Пибълс. Те включват участието му в теоретични разработки, касаещи космичния микровълнов фон – реликт от горещия ранен стадий на Вселената.

В групата на Дике той предсказва КМФ и участва в детектирането му през 1965 г., 19 години след предсказанието на Георги Гамов, уточнява проф. Кирилова. През 1966 той провежда детайлни пресмятания на изобилията на леките елементи деутерии, хелий-3, хелий-4 и литий-7, произведени по време на космологичния нуклеосинтез в първите минути от еволюцията на нашата вселена, и предсказва температурата на КМФ 20 години след пионерските статии на Георги Гамов и сътрудниците му, посветени на космологичния нуклеосинтез. През 70-те години на миналия век публикува резултати, касаещи образуването и еволюцията на структурите във Вселената от епохата на формиране на КМФ до днес, наред с видните космолози А. Сахаров, Р. Сюняев и Я.Б. Зелдович. Той е сред първите космолози, които указват на необходимостта от тъмно вещество и тъмна енергия като основни компоненти на нашата вселена.

Учените се надяват бъдещите космични мисии и наземни наблюдения и ескперименти да изяснят физичната природа на тъмното вещество и тъмната енергия.