Qorong‘i energiya nima

Energiya turlari:
Mexanik Potensial
 Kinetik
‹♦›Ichki
Elektromagnit Elektr
 Magnit
Kimyoviy
Yadro
Gravitatsion
Vakuum
Faraziy turlari:
Qorong‘i
Shuningdek qarang: Energiyaning saqlanish qonuni
Koinotning tarkibi — manba: WMAP

Qorong‘i energiya (ingl. dark energy) kosmologiyada — faraziy energiya turi bo‘lib, Koinotning kuzatilayotgan tezlashib kengayishini tushuntirish maqsadida uning matematik modeliga kiritilgan.

Qorong‘i energiyaning mohiyatini tushuntirish uchun uchta yondashuv mavjud:

2020-yil holatiga ko‘ra, relikt nurlanish o‘lchovlari kabi ishonchli kuzatuv ma’lumotlari qorong‘i energiya mavjudligini tasdiqlaydi. Lambda-CDM modeli esa kosmologiyada standart model sifatida qabul qilingan.

Ushbu yondashuvlardan qaysi biri to‘g‘ri ekanini aniqlash uchun Koinotning kengayish tezligini uzoq vaqt davomida nihoyatda yuqori aniqlikda o‘lchab, uning vaqt o‘tishi bilan qanday o‘zgarishini bilish zarur. Koinotning kengayish sur’ati kosmologik holat tenglamasi orqali ifodalanadi. Qorong‘i energiyaning holat tenglamasini aniqlash zamonaviy kuzatuv kosmologiyasining eng dolzarb vazifalaridan biridir.

2013-yil mart oyida e’lon qilingan «Plank» kosmik rasadxonasi kuzatuv ma’lumotlariga ko‘ra, kuzatiladigan Koinotdagi jami massa-energiyaning 68,3 % ini qorong‘i energiya, qorong‘i materiya esa 26,8 % ini tashkil etadi.

Koinotning tezlashib kengayishi kashf etilishi

Koinotning tezlashib kengayishi 1998-yilda Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlar kuzatilganda kashf etildi. Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlarni kuzatish asosida Koinot kengayishi vaqt o‘tishi bilan tezlashayotgani aniqlandi. Keyinchalik bu xulosa boshqa ma’lumotlar — relikt nurlanish, gravitatsion linzalanish, nukleosintez (Katta portlash davri)ga oid o‘lchovlar bilan ham tasdiqlandi. Olingan barcha ma’lumotlar Lambda-CDM modeliga mos keladi.

Boshqa galaktikalargacha bo‘lgan masofalar ularning qizilga siljishini o‘lchash orqali aniqlanadi. Xabbl qonuniga ko‘ra, uzoq galaktikalardan kelayotgan yorug‘likning qizilga siljish miqdori ulargacha bo‘lgan masofaga to‘g‘ri proporsional. Masofa bilan qizilga siljish miqdori o‘rtasidagi nisbat Xabbl parametri (yoki unchalik aniq bo‘lmagan atama bilan Xabbl doimiysi) deb ataladi.

Biroq avval Xabbl parametrining qiymatini biror usul bilan aniqlash kerak. Buning uchun masofalari allaqachon boshqa usullar bilan hisoblangan galaktikalarning qizilga siljish miqdorlari o‘lchanadi. Shu maqsadda astronomiyada «standart shamlar» — yorqinligi ma’lum bo‘lgan osmon jismlaridan foydalaniladi. Kosmologik kuzatuvlar uchun eng qulay «standart shamlar» Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlardir (bir xil masofada portlagan barcha Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlarning kuzatiladigan yorqinligi deyarli teng bo‘lishi kerak; bunda boshlang‘ich yulduzning aylanishi va tarkibiga tuzatish kiritish maqsadga muvofiq). Turli galaktikalardagi o‘ta yangi yulduzlarning kuzatiladigan yorqinligini taqqoslab, ulargacha bo‘lgan masofani aniqlash mumkin.

1990-yillarning oxirida Xabbl qonuni asosida masofasi aniqlangan uzoq galaktikalardagi Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlar kutilganidan xira ko‘rinishi aniqlandi. Boshqacha aytganda, bu galaktikalargacha bo‘lgan masofa «standart shamlar» (Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlar) usuli bilan hisoblanganda, Xabbl parametrining ilgari belgilangan qiymati asosida hisoblangan masofadan kattaroq chiqadi. Shundan Koinot shunchaki kengaymayotgani, balki tezlashib kengayayotgani haqidagi xulosaga kelindi.

Koinotning tezlashib kengayishini kashf etganlari uchun Sol Perlmuter, Brayan P. Shmidt va Adam Riss astronomiya bo‘yicha Shou mukofotini 2006-yilda va fizika bo‘yicha Nobel mukofotini 2011-yilda oldilar.

Qorong‘i energiya va yashirin massa haqidagi faraz

Ilgari mavjud bo‘lgan kosmologik modellar Koinot kengayishi sekinlashib boradi, deb hisoblagan. Bu modellar Koinot massasining asosiy qismini ko‘rinadigan va ko‘rinmaydigan modda (qorong‘i materiya) tashkil etadi, degan taxminga asoslangan. Kengayish tezlashayotganini ko‘rsatuvchi yangi kuzatuvlarga tayangan holda manfiy bosimga ega, noma’lum energiya turi mavjudligi faraz qilindi (qarang: holat tenglamasi). Bu energiya «qorong‘i energiya» deb ataldi.

Qorong‘i energiya mavjudligi haqidagi faraz (uning tabiati qanday bo‘lishidan qat’i nazar) «ko‘rinmas massa» muammosini ham hal qiladi. Nukleosintez (Katta portlash) nazariyasi dastlabki Koinotda geliy, deyteriy va litiy kabi yengil kimyoviy elementlar qanday hosil bo‘lganini tushuntiradi. Koinotning yirik miqyosli tuzilishi nazariyasi Koinot tuzilmasining shakllanishini, jumladan, yulduzlar, kvazarlar, galaktikalar va galaktikalar to‘dalarining paydo bo‘lishini tushuntiradi. Har ikki nazariyaga ko‘ra, barion materiya va qorong‘i materiya zichligi «yopiq» Koinotni hosil qilish uchun zarur kritik zichlikning taxminan 30 % ini tashkil etadi, ya’ni Koinot shakli yassi bo‘lishi uchun talab qilinadigan zichlikka mos keladi. WMAP sun’iy yo‘ldoshi yaqinda o‘lchagan Koinotning relikt nurlanishi ma’lumotlari fazo-vaqtning umumiy egriligi haqiqatan ham nolga juda yaqinligini ko‘rsatadi. Demak, ilgari noma’lum bo‘lgan ko‘rinmas energiya shakli Koinot zichligining yetishmayotgan 70 % ini ta’minlashi kerak.

Qorong‘i energiyaning tabiati

Qorong‘i energiyaning mohiyati hali ham bahsli. Ma’lumki, u fazoda juda bir tekis taqsimlangan, gravitatsion tortishish o‘rniga itarilish ta’sirini ko‘rsatadi, zichligi past va gravitatsiyadan tashqari ma’lum fundamental o‘zaro ta’sirlar orqali oddiy materiya bilan sezilarli darajada o‘zaro ta’sirlashmaydi. Qorong‘i energiya zichligi vaqtga bog‘liq emas (so‘nggi 8 mlrd yil ichida uning zichligi ko‘pi bilan 10 % ga o‘zgargan). Qorong‘i energiyaning faraziy zichligi juda kichik (taxminan 10−26 kg/m³) bo‘lgani uchun uni laboratoriya tajribalarida aniqlash qiyin. Qorong‘i energiya Koinotning jami energiyasining 70 % ini tashkil etib, unga juda kuchli ta’sir ko‘rsatishi mumkinligining yagona sababi — u boshqa jihatdan bo‘sh bo‘lgan fazoni bir tekis to‘ldirishidir.

Kosmologik doimiy

Qorong‘i energiya tufayli Koinotning tezlashib kengayishini aks ettiruvchi diagramma.

Eng oddiy izohga ko‘ra, qorong‘i energiya shunchaki «fazo mavjudligining narxi»dir: ya’ni fazoning har qanday hajmi o‘ziga xos, ajralmas fundamental energiyaga ega. Bu ba’zan vakuum energiyasi deb ham ataladi, chunki u sof vakuumning energiya zichligidir. Bu — kosmologik doimiy bo‘lib, ba’zan «lambda hadi» ham deyiladi (bu nom yunon harfidan kelib chiqqan bo‘lib, u umumiy nisbiylik nazariyasi tenglamalarida shu kattalikni ifodalaydi). Fridman–Lemetr–Robertson–Uoker metrikasiga asoslangan standart kosmologik modelga kosmologik doimiyning kiritilishi hozirgi Lambda-CDM modeli deb ataladigan kosmologik modelning yuzaga kelishiga olib keldi. Bu model mavjud kosmologik kuzatuvlarga yaxshi mos keladi.

Ko‘plab elementar zarralar fizikasi nazariyalari vakuum fluktuatsiyalari mavjudligini bashorat qiladi, ya’ni vakuumga aynan shunday energiya xususiyatini beradi. Kosmologik doimiyning qiymati taxminan 10−29 g/sm³ yoki 1,03 keV/sm³ (taxminan 10−123 Plank birliklarida).

Kosmologik doimiyning bosimi manfiy bo‘lib, uning energiya zichligiga teng. Kosmologik doimiyning manfiy bosimga ega bo‘lishi klassik termodinamika qonunlaridan kelib chiqadi. Hajmi bo‘lgan «vakuumli quti»dagi energiya ga teng; bu yerda — kosmologik doimiyning energiya zichligi. «Quti» hajmining ortishi ( musbat bo‘lganda) uning ichki energiyasi oshishiga olib keladi, ya’ni quti manfiy ish bajaradi. Hajm o‘zgarganda bajariladigan ish ga teng, bu yerda — bosim. Demak, manfiy va aslida ga teng (massa va energiyani bog‘laydigan koeffitsiyent 1 ga teng deb olingan).

umumiy nisbiylik nazariyasiga ko‘ra, gravitatsiya faqat massa (zichlik)ga emas, balki bosimga ham bog‘liq; bunda bosimga mos koeffitsiyent zichliknikidan kattaroq. Manfiy bosim itarilish, ya’ni antigravitatsiyani keltirib chiqarishi va shu orqali Koinot kengayishini tezlashtirishi kerak.

Zamonaviy fizikaning eng muhim hal etilmagan muammolaridan biri shundaki, aksariyat kvant maydon nazariyalari kvant vakuum energiyasiga tayanib, kosmologik doimiyning nihoyatda katta qiymatini — kosmologik tasavvurlar yo‘l qo‘yadigan qiymatdan ko‘p tartib yuqori qiymatni bashorat qiladi. Kvant maydon nazariyasidagi vakuumning nol nuqtali tebranishlarini jamlashning odatiy formulasi (tebranish modalarining to‘lqin sonini Plank uzunligiga mos chegarada kesib) vakuum energiyasining juda katta zichligini beradi. Demak, bu qiymatga moduli deyarli teng (ammo aynan teng bo‘lmagan), ishorasi esa teskari bo‘lgan qandaydir ta’sir uni kompensatsiyalashi kerak. Ayrim supersimmetriya nazariyalari (SATHISH) kosmologik doimiy aynan nolga teng bo‘lishini talab qiladi, ammo bu ham muammoni hal qilmaydi. Bu — «kosmologik doimiy muammosi», zamonaviy fizikadagi eng murakkab «nozik sozlash» muammolaridan biri: elementar zarralar fizikasi asosida kosmologiyada aniqlangan kosmologik doimiyning nihoyatda kichik qiymatini keltirib chiqarish usuli hanuz topilmagan. Ayrim fiziklar, jumladan Stiven Vaynberg, «antrop prinsip» deb ataluvchi tamoyilni kvant vakuumi energiyasining kuzatilayotgan nozik muvozanatiga eng yaxshi izoh deb biladilar.

Bu muammolarga qaramay, kosmologik doimiy ko‘p jihatdan tezlashib kengayayotgan Koinot masalasining eng sodda yechimidir. Bitta son qiymati ko‘plab kuzatuvlarni tushuntira oladi. Shu sababli hozirgi umumqabul qilingan kosmologik model (Lambda-CDM modeli) kosmologik doimiyni muhim tarkibiy qism sifatida o‘z ichiga oladi.

Kvintessensiya

Muqobil yondashuvni 1987-yilda nemis nazariyotchi fizik Kristof Vetterix taklif qilgan. Vetterix qorong‘i energiyani qandaydir dinamik skalyar maydonning zarraga o‘xshash qo‘zg‘alishlari deb faraz qilgan va bu maydonni «kvintessensiya» deb atagan. Kosmologik doimiydan farqli ravishda, kvintessensiya zichligi fazo va vaqt bo‘ylab o‘zgarishi mumkin. Kvintessensiya oddiy materiya kabi bir joyga to‘planib, yulduzlar va boshqa yirik tuzilmalarni hosil qilmasligi uchun juda yengil bo‘lishi, ya’ni juda katta Kompton to‘lqin uzunligiga ega bo‘lishi kerak.

Kvintessensiya mavjudligiga oid biror dalil hozircha topilmagan, lekin uning mavjudligini ham inkor etib bo‘lmaydi. Kvintessensiya faraziga ko‘ra, Koinot kengayishining tezlashishi kosmologik doimiy farazidagidan biroz sustroq bo‘ladi. Ayrim olimlar kvintessensiya foydasiga eng yaxshi dalil Eynshteynning ekvivalentlik prinsipining buzilishi hamda fundamental doimiylarning fazo yoki vaqt bo‘yicha o‘zgarishi bo‘lar edi. skalyar maydonlar mavjudligini Standart model va strunalar nazariyasi ham bashorat qiladi, ammo bu yerda ham kosmologik doimiy bilan bog‘liq holatga o‘xshash muammo yuzaga keladi: renormallash nazariyasiga ko‘ra, skalyar maydonlar sezilarli massaga ega bo‘lishi kerak.

Kosmik tasodif muammosi Koinot kengayishi nega aynan muayyan davrda tezlashgan degan savolni qo‘yadi. Agar Koinot kengayishi bundan oldin tezlashganida, yulduzlar va galaktikalar shakllanishga ulgurmagan, hayot esa hech bo‘lmaganda bizga ma’lum shaklda vujudga kelish imkoniyatiga ega bo‘lmagan bo‘lardi. «Antrop prinsip» tarafdorlari buni o‘z qarashlarining eng kuchli dalili deb biladilar. Biroq ko‘plab kvintessensiya modellarida bu muammoni hal qiladigan «kuzatib boruvchi xatti-harakat» nazarda tutiladi. Ularga ko‘ra, Katta portlashdan keyingi rivojlanishning materiya va nurlanish muvozanati qaror topguncha bo‘lgan davrida kvintessensiya maydonining zichligi nurlanish zichligiga moslashadi, lekin unga yetib bormaydi. Shundan so‘ng kvintessensiya izlanayotgan «qorong‘i energiya» kabi harakat qila boshlaydi va oxir-oqibat Koinotda ustunlik qiladi. Bunday rivojlanish qorong‘i energiya darajasining past qiymatini tabiiy ravishda belgilaydi.

Holat tenglamasi (bosimning energiya zichligiga bog‘liqligi) kvintessensiya uchun quyidagicha: , bu yerda (vakuum uchun ).

Qorong‘i energiyaning boshqa ehtimoliy turlari ham taklif etilgan: fantom energiya — uning energiya zichligi vaqt o‘tishi bilan ortadi (bunday qorong‘i energiya holat tenglamasida ), shuningdek, nostandart kinetik energiya shaklidagi «kinetik kvintessensiya». Ularning xususiyatlari noodatiy: masalan, fantom energiya Koinotning Katta uzilishiga olib kelishi mumkin.

2014-yilda BOSS loyihasi (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) ma’lumotlari qorong‘i energiya qiymati yuqori aniqlik bilan doimiy ekanini ko‘rsatdi.

Gravitatsiyaning noma’lum xususiyatlari namoyon bo‘lishi

Bir farazga ko‘ra, qorong‘i energiya umuman mavjud emas, Koinotning tezlashib kengayishi esa gravitatsiya kuchlarining Koinotning ko‘rinadigan qismi o‘lchamlariga yaqin masofalarda namoyon bo‘la boshlaydigan noma’lum xususiyatlari bilan tushuntiriladi.

Koinot taqdiriga ta’siri

Mavjud baholashlarga ko‘ra, Koinotning tezlashib kengayishi taxminan 5 milliard yil avval boshlangan. Bungacha kengayish qorong‘i materiya va barion materiyaning gravitatsion ta’siri tufayli sekinlashgan deb hisoblanadi. Kengayayotgan Koinotda barion materiya zichligi qorong‘i energiya zichligiga qaraganda tezroq kamayadi. Natijada qorong‘i energiya ustunlik qila boshlaydi. Masalan, Koinot hajmi ikki baravar oshsa, barion materiyaning zichligi ikki baravar kamayadi, qorong‘i energiyaning zichligi esa deyarli o‘zgarmaydi (kosmologik doimiy holatida mutlaqo o‘zgarmaydi).

Agar Koinotning tezlashib kengayishi cheksiz davom etsa, oxir-oqibat bizning galaktikalar o‘ta to‘damizdan tashqaridagi galaktikalar hodisalar ufqi ortiga o‘tib, bizga ko‘rinmay qoladi, chunki ularning nisbiy tezligi yorug‘lik tezligidan oshib ketadi. Bu maxsus nisbiylik nazariyasini buzmaydi. Aslida egri fazo-vaqtda «nisbiy tezlik»ni aniqlashning o‘zi ham mumkin emas. Nisbiy tezlik faqat yassi fazo-vaqtda yoki egri fazo-vaqtning yetarlicha kichik (nolga intiluvchi) qismida ma’noga ega va aniqlanishi mumkin. Hodisalar ufqidan narida har qanday aloqa imkonsiz bo‘lib qoladi va obyektlar o‘rtasidagi barcha aloqalar uziladi. Yer, Quyosh tizimi, bizning Galaktikamiz va o‘ta to‘damiz bir-biriga ko‘rinib turadi va nazariy jihatdan kosmik parvozlar orqali ularga yetib borish mumkin bo‘ladi, Koinotning qolgan qismi esa olisda g‘oyib bo‘ladi. Vaqt o‘tishi bilan o‘ta to‘damiz issiqlik o‘limi holatiga keladi, ya’ni materiya ustun bo‘lgan yassi Koinotning avvalgi modeli uchun nazarda tutilgan ssenariy ro‘y beradi.

Koinot kelajagiga oid yanada noodatiy farazlar ham mavjud. Ulardan biriga ko‘ra, fantom energiya «cheksiz kuchayuvchi» kengayishni yuzaga keltiradi. Bu qorong‘i energiyaning kengaytiruvchi kuchi cheklanmagan holda ortib borib, Koinotdagi boshqa barcha kuchlardan ustun kelishini anglatadi. Ushbu ssenariyga ko‘ra, qorong‘i energiya vaqt o‘tishi bilan Koinotdagi gravitatsiya orqali bog‘langan barcha tuzilmalarni parchalaydi, keyin elektrostatik va yadro ichidagi o‘zaro ta’sirlar kuchidan ham ustun kelib, atomlar, yadrolar va nuklonlarni hamda Koinotni Katta uzilish paytida parchalab yuboradi.

Boshqa tomondan, qorong‘i energiya vaqt o‘tishi bilan tarqalib ketishi yoki hatto itaruvchi ta’sirini tortuvchi ta’sirga almashtirishi ham mumkin. Bunday holda gravitatsiya ustun kelib, Koinotni «Katta siqilish»ga olib keladi. Ba’zi ssenariylarda Koinotning «siklik modeli» nazarda tutiladi. Hozircha bu farazlar kuzatuvlar bilan tasdiqlanmagan, ammo butunlay rad ham etilmagan. Katta portlash nazariyasiga muvofiq rivojlanayotgan Koinotning yakuniy taqdirini aniqlashda tezlashish sur’atining aniq o‘lchovlari hal qiluvchi ahamiyat kasb etishi kerak.

Tanqid

Qorong‘i energiya faraziga muqobil sifatida kosmologik umumiy nisbiylik nazariyasi (KOTO) xizmat qilishi mumkin. Uni isroillik fizik Moshe Karmeli taklif etgan. Ushbu besh o‘lchamli nazariyada Koinotning tezlashib kengayishi fazo–vaqt–tezlik geometriyasining tabiiy natijasi bo‘lib, manfiy bosimli qorong‘i energiyani kiritishni talab qilmaydi.

Qorong‘i energiyani tanqid qiluvchi katta shov-shuvga sabab bo‘ladigan maqolalar muntazam paydo bo‘ladi. Ilmiy ishlarning o‘zida mualliflar odatda ehtiyotkorlik bilan fikr bildirsa-da, annotatsiyalar va jurnalistlarga berilgan izohlarda xulosalar ko‘pincha bo‘rttiriladi, masalan, ular go‘yoki qorong‘i energiyaning mavjudligini shubha ostiga qo‘yayotgandek ko‘rsatiladi:

Qorong‘i energiyani tanqid qiluvchi ayrim ishlar Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlarning ilgari bir xil deb hisoblangan spektrlari aslida turlicha ekaniga asoslanadi. Bundan tashqari, bugun nisbatan kam uchraydigan Ia turidagi o‘ta yangi yulduzlar shakli oldinroq, Koinot tarixida ancha keng tarqalgan edi:

Qorong‘i energiyani aniqlash uchun turli tajriba qurilmalari mavjud (ular asosan WIMP zarralarini qidiradi va 2018-yil holatiga ko‘ra, hech qanday ijobiy natija bermagan):

Shunga qaramay, ilmiy hamjamiyatda qorong‘i energiyaning mavjudligi aniqlangan fakt degan qarash ustun. Qorong‘i energiya bevosita kuzatilmagan bo‘lsa-da, relikt nurlanish ni Plank kosmik rasadxonasi tomonidan kuzatish uning mavjudligini eng ishonchli tasdiqlovchi dalildir. Ko‘plab kuzatuv natijalari, xususan, barion akustik tebranishlari va kuchsiz gravitatsion linzalanish[ingl.] uchun Lambda-CDM modeli doirasidagidan boshqa ishonchli tushuntirish yo‘q.

Adabiyotlar

Havolalar