Приблизно 68 % усього сущого — це щось, що жоден прилад ніколи не виявляв безпосередньо: темна енергія. Наразі космологи оцінюють частку темної матерії у 27 %, а звичайних атомів — тобто речовини, з якої складаються зорі, планети та люди — лише у 5 %. Попри те, що темна енергія переважує все інше разом узяте, вона залишалася безіменною й непоміченою аж до кінця двадцятого століття.
Це змінилося 1998 року, коли дві конкурентні команди, які вивчали зірки, що вибухають, виявили, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється. Результат виявився настільки несподіваним, що змусив фізиків повернутися до ідеї, яку Альберт Ейнштейн свого часу висунув, а потім відкинув десятиліттями раніше.
У цій статті розглянуто, що насправді показали ці спостереження, як їх підтверджує найдавніше світло Всесвіту, і чому пояснення природи темної енергії досі вважається однією з найскладніших відкритих проблем фізики.
Загублені 68 відсотків Всесвіту
Розподіл 68/27/5 — це наразі найточніший облік космологією всього сущого, і він постійно уточнюється в міру вдосконалення приладів. Дані супутника Planck Європейського космічного агентства показали частку темної матерії на рівні 26,8 %, майже на п'яту частину вище за попередні оцінки — ознака того, що навіть «усталені» цифри в космології досі залишаються рухомою мішенню.
Дивним темну енергію робить те, що вона домінує в космічному балансі, попри те, що її густина ледь відчутна. Її густина становить приблизно 7×10⁻³⁰ грама на кубічний сантиметр, що еквівалентно приблизно 6×10⁻¹⁰ джоуля маси-енергії на кубічний метр — набагато менше, ніж густина звичайної або темної матерії, сконцентрованої всередині галактики. Вона переважує не тому, що десь сконцентрована, а просто тому, що присутня всюди одночасно, тож її сукупний вплив зростає разом із самим Всесвітом.
Помилка, яка виявилася правильною
Задовго до того, як хтось виміряв прискорення, Ейнштейн уже створив математичний інструмент, здатний його описати. Він додав до своїх гравітаційних рівнянь додатковий член спеціально для того, щоб допустити статичний, незмінний Всесвіт — стандартне припущення його епохи. Коли пізніші спостереження натомість показали, що космос розширюється, Ейнштейн відмовився від власної поправки, назвавши її помилкою.
Цей забутий член здебільшого залишався поза увагою, доки космолог Майкл С. Тернер не відродив цю концепцію під новою назвою. У статті, написаній разом із Солом Перлмуттером і Мартіном Вайтом 1998 року, Тернер запровадив термін «темна енергія» для позначення сили, яка спричиняє щойно відкрите прискорення, — фактично реабілітувавши саме ту ідею, яку Ейнштейн колись відкинув.
Зірки, що вибухнули і переписали космологію
Прорив стався 1998 року, коли дві конкурентні групи — Supernova Cosmology Project з одного боку та High-Z Supernova Search Team з іншого — незалежно одна від одної використали далекі наднові типу Ia, щоб простежити, як темп космічного розширення змінювався протягом мільярдів років.
Ці наднові стали надійними космічними мірилами саме завдяки стабільності свого вибуху. Вони виникають, коли маса вуглецево-кисневого білого карлика наближається приблизно до 1,44 маси Сонця — межі, за якою зоря вже не може утримувати власну структуру. Оскільки ця межа майже однакова для кожної зорі, вибухи досягають порівнюваної максимальної яскравості, що й дало змогу обом командам використовувати їх для оцінки відстані. Коли ці відстані порівняли з величиною червоного зміщення світла, цифри мали сенс лише за умови, що саме розширення прискорюється.
Найдавніше світло Всесвіту
Історія темної енергії тісно пов'язана й із найдавнішим світлом, яке можуть спостерігати астрономи. Реліктове випромінювання виявили цілком випадково 1965 року, коли двоє дослідників Bell Labs, Арно Пензіас і Роберт Вілсон, шукали джерело радіоперешкод, а натомість натрапили на слабке сяйво, що покривало все небо.
Це сяйво — знімок космосу приблизно через 375 000 років після його зародження, коли все ще являло собою гарячий, щільний суп із частинок. Відтоді простір розтягнувся, і разом із ним розтягнулося саме світло, охолонувши до мікрохвильових довжин хвиль, що сьогодні відповідають лише 2,7 градуса вище абсолютного нуля. 1992 року супутник NASA Cosmic Background Explorer виявив, що це сяйво не є ідеально рівномірним — воно містить крихітні температурні коливання по всьому небу, і саме картографування цих коливань із дедалі вищою точністю дало змогу космологам вийти на сьогоднішнє співвідношення 68/27/5.
Найгірше передбачення фізики
Знати, що темна енергія існує, — це одне; пояснити, чим вона насправді є, — набагато складніше. Одна з провідних ідей трактує її як внутрішню енергію порожнього простору — вакууму, який описує квантова теорія поля. Проблема в тому, що коли фізики намагаються обчислити, скільки енергії має нести цей вакуум, результат перевищує спостережуване значення приблизно на 120 порядків величини — розрив настільки величезний, що деякі дослідники вважають це найменш точним обчисленням в історії фізики. Жодне коригування математичного апарату не змогло усунути цей розрив, і саме тому темну енергію досі вважають незавершеною справою.
Перевірка Ейнштейна в космічному масштабі
Якщо темної енергії не існує, прискорення має пояснювати щось інше — і провідна альтернатива полягає в тому, що власна теорія гравітації Ейнштейна перестає працювати на достатньо великих відстанях, дозволяючи простору розтягуватися швидше, ніж гравітація здатна його стримати. Спростування цієї ідеї зайняло десятиліття і стало можливим лише тоді, коли астрономи навчилися безпосередньо вимірювати гравітаційні хвилі.
GW170817 — перша гравітаційна хвиля, зафіксована також завдяки негравітаційним спостереженням, — дала змогу фізикам виміряти швидкість гравітації достатньо точно, щоб відкинути багато теорій модифікованої гравітації, запропонованих як альтернатива темній енергії.
Аргументи на користь мінливого Всесвіту
Історія ще не завершена. Колаборація Dark Energy Spectroscopic Instrument, яка звітувала у березні 2025 року, виявила, що сила темної енергії, можливо, зовсім не є сталою. Поєднавши дані баріонних акустичних осциляцій приладу з вимірюваннями реліктового випромінювання, оглядами слабкого гравітаційного лінзування та каталогами наднових, команда знайшла свідчення того, що темна енергія змінюється з часом, зі статистичною достовірністю від 2,8 до 4,2 сигми залежно від того, які набори даних поєднувалися.
Цей результат інтригує, але поки не є остаточним, тож справжня природа темної енергії залишається відкритим питанням через десятиліття після того, як Тернер уперше дав їй ім'я.