Прискорення галактик, що знаходяться на різних червоних зсувах z від 0 до 3. Чорна лінія - теоретичне передбачення на основі сучасної космологічної картини (ΛCDM); штрихові лінії - теоретичні передбачення, що обходяться зовсім без темної енергії. Точки з похибками - очікувані експериментальні результати, які зможе отримати спеціалізований радіотелескоп нового покоління за десятиліття роботи. Кольором виділено та область червоних зсувів, на які орієнтується майбутній експеримент CHIME. Зображення з обговорюваної статті
Прискорене розширення Всесвіту і труднощі його спостереження
Астрономічні спостереження, що підтверджують прискорене розширення Всесвіту, різноманітні. Однак треба чітко розуміти, що всі ці спостереження - непрямі. Ми не бачимо безпосередньо, що темп розширення Всесвіту зростає з часом. Ми маємо лише каталог об'єктів, що знаходяться на різних відстанях від нас, вимірюємо їх швидкості і яскравості, намагаємося порівняти вийшло розподіл з теоретичними розрахунками і розуміємо, що весь набір даних не вдається пояснити простим рівномірним розширенням. Зате припущення про темну енергію, яку підтверджують і інші космологічні дані, відмінно з цим описом справляється.
Проте для більшої достовірності, для залізної гарантії факт прискореного розширення Всесвіту корисно виміряти і безпосередньо. Це можна зробити за допомогою так званого тесту Сендідж-Лоуб (Sandage-Loeb test). Виглядає він досить просто. Ми стежимо за якимось далеким об'єктом і вимірюємо його швидкість видалення за допомогою ефекту Доплера. Якщо світло був виданий джерелом на одній довжині хвилі, а ми його реєструємо на інший, більшої, то їхнє ставлення дасть нам величину червоного зсуву джерела z. а воно дозволяє знайти швидкість його видалення. Якщо такий вимір проводити раз по раз протягом декількох років, то рано чи пізно ми зауважимо, що червоне зміщення зростає - джерело світла прискорюється щодо нас. При такому вимірі нам не потрібно порівнювати різні об'єкти, оцінювати відстань до них або вимірювати їх яскравість. Достатньо лише стежити за червоним зміщенням одного і того ж об'єкта. але протягом довгого часу. Оскільки спектроскопічні вимірювання дуже точні, а сам джерело нікуди не дівається, здавалося б, проблем з цим виміром бути не повинно.
Однак трохи уважніший погляд розкриває ряд труднощів. По-перше, передбачуване прискорення повинно бути дуже маленьким. В якості самої грубої оцінки можна взяти швидкість світла поділену на вік Всесвіту (13 млрд років), це дасть приблизно 2 (см / с) / рік, тобто близько 10 -10 від прискорення вільного падіння за Землі. Такого порядку було б прискорення у об'єктів на великих червоних зсувах z - за умови, що вони дійсно прискорюються.
Однак тут спливає друга трудність. Прискореним розширення було не завжди. Прискорення почалося відносно недавно по космологічним масштабами, коли вік Всесвіту становив уже 10 млрд років. До цього Всесвіт розширювався з уповільненням: гравітаційне тяжіння тоді ще переважало над розштовхувати ефектом темної енергії. Тому якщо ми будемо спостерігати далекі галактики з z> 2, то ми будемо бачити їх ще в ту далеку епоху, коли прискорення ще не було. Так що для прямого спостереження прискорення доводиться дивитися лише на досить близькі об'єкти, тільки вони вже прискорюються для наших сьогоднішніх спостережень. А раз вони близькі, то і прискорення у них буде ще менше; обчислення показують, що воно не буде перевищувати 0,4 (см / с) / рік (див. малюнок).
Третя складність виникає з банального факту, що галактики взаємодіють один з одним. Це означає, що у них є і звичайне прискорення, викликане гравітаційним притяганням і зовсім не пов'язане з прискореним розширенням Всесвіту. Його теж треба брати до уваги, щоб не сплутати його шуканим космологічним ефектом. Та й сама Сонячна система, а значить, і прилади спостереження, теж відчуває доцентрове прискорення, спрямоване до центру нашої галактики. На щастя, це власне прискорення легко контролюється за допомогою періодів пульсарів.
Четверта труднощі викликана вже внутрішнім рухом світитьсяречовини всередині джерела. Світло від далекої галактики - це сукупність світіння великого числа об'єктів або протяжних областей. У всіх них є якісь свої швидкості руху всередині галактики, які то складаються, то віднімаються з швидкості самої галактики. Навіть всередині одного гарячого джерела є атоми, які в момент випромінювання рухаються з великими швидкостями на нас або від нас. Тому навіть якщо всі вони в своїх системах відліку випромінюють світло на якійсь одній довжині хвилі, ми будемо спостерігати не вузьку, а злегка розмиту лінію випромінювання. Через це неминучого доплерівського розмиття помітити незначний космологічний зрушення лінії випромінювання буде дуже важко.
Пряме вимірювання прискорення в радіолінії водню
Тут використовується по суті той же ефект, але тільки не для ліній випромінювання, а для ліній поглинання, і крім того - не для оптичного діапазону, а для радіовипромінювання на довжині хвилі 21 см. Число це взято зовсім не зі стелі. Знаменита спектральна лінія 21 см виникає в результаті перескока електрона в атомі водню між двома дуже близькими рівнями енергії, розділеними за рахунок надтонкого розщеплення. Радіоспостереження неба на цій довжині хвилі дозволяють картографувати протяжні хмари нейтрального атомарного водню в галактиках. Якщо досить щільна хмара водню знаходиться на шляху радіовипромінювання від якоїсь ще більш далекої галактики, ми бачимо лінію поглинання - провал інтенсивності радіосигналу на цій довжині хвилі. Порівнюючи виміряну довжину хвилі з номінальною, ми по доплеровскому ефекту отримуємо швидкість хмари водню.
У статті описано кілька переваг радіонаблюденій на 21 см в порівнянні зі звичайними оптичними. По-перше, сама по собі ця лінія виключно вузька і її положення відомо з величезною точністю. По-друге, вона виникає в хмарі холодного водню, оскільки гарячий водень не залишалася б нейтральним газом. Це означає, що швидкість руху окремих атомів невелика і розмиття лінії виходить набагато менше, ніж для гарячого джерела.
Оцінки для експерименту CHIME показують, що за 10 років роботи можна буде зареєструвати прискорене розширення Всесвіту на рівні статистичної значущості 5 стандартних відхилень. Для проекту SKA мова вже йде про лічених роках. Варто підкреслити, що це вимір не обмежується одним лише фактом спостереження прискорення, а дозволить ще й виміряти в деталях, як воно залежить від червоного зсуву. Це означає, що відкриється можливість безпосередньо перевіряти різні теоретичні моделі темної енергії, в тому числі і екзотичні моделі гравітації. Іншими словами, в арсеналі космологов з'явиться ще один потужний інструмент дослідження.