1998—1999 гг. — Теоретическое предсказание существования темной энергии, ответственной за ускоренное расширение Вселенной (С. Перлмуттер, А. Рисс, Б. Шмидт).

История открытия и предшествующие предположения:

Космологическая постоянная Эйнштейна.

"Космологическая постоянная" - это постоянный член, который может быть добавлен к уравнениям поля Эйнштейна общей теории относительности. Если рассматривать ее как "исходный член" в уравнении поля, ее можно рассматривать как эквивалент массы пустого пространства (которая концептуально может быть как положительной, так и отрицательной), или "энергии вакуума".

Космологическая постоянная была впервые предложена Эйнштейном в качестве механизма для получения решения уравнения гравитационного поля, которое привело бы к статической вселенной, эффективно используя темную энергию для уравновешивания гравитации Эйнштейн присвоил космологической постоянной символ Λ (заглавная лямбда). Эйнштейн утверждал, что космологическая постоянная требует, чтобы "пустое пространство играло роль притягивающих отрицательных масс, которые распределены по всему межзвездному пространству".

Механизм был примером тонкой настройки, и позже было понято, что статичная вселенная Эйнштейна не была бы стабильной: локальные неоднородности в конечном итоге привели бы либо к безудержному расширению, либо к сжатию Вселенной. Равновесие неустойчиво: если вселенная слегка расширяется, то при расширении высвобождается энергия вакуума, которая вызывает еще большее расширение. Аналогично, вселенная, которая слегка сжимается, будет продолжать сжиматься. Согласно Эйнштейну, "пустое пространство" может обладать своей собственной энергией. Поскольку эта энергия является свойством самого пространства, она не будет разбавляться по мере расширения пространства. По мере возникновения большего пространства будет появляться все больше этой энергии пространства, вызывая тем самым ускоренное расширение. Такого рода возмущения неизбежны из-за неравномерного распределения материи по всей Вселенной. Кроме того, наблюдения, сделанные Эдвином Хабблом в 1929 году, показали, что вселенная, по-видимому, расширяется, а вовсе не статична. Сообщается, что Эйнштейн назвал свою неспособность предсказать идею динамической Вселенной, в отличие от статичной вселенной, своей величайшей ошибкой.

Инфляционная темная энергия.

Алан Гут и Алексей Старобинский в 1980 году предположили, что поле отрицательного давления, аналогичное по концепции темной энергии, могло вызывать космическую инфляцию в самой ранней Вселенной. Инфляция постулирует, что некая сила отталкивания, качественно подобная темной энергии, привела к огромному и экспоненциальному расширению Вселенной немного позже Большого взрыва. Такое расширение является существенной особенностью большинства современных моделей Большого взрыва. Однако инфляция, должно быть, происходила при гораздо более высокой (отрицательной) плотности энергии, чем темная энергия, которую мы наблюдаем сегодня, и считается, что инфляция полностью прекратилась, когда Вселенной была всего лишь доля секунды от роду. Неясно, какая связь, если таковая существует, существует между темной энергией и инфляцией. Даже после того, как инфляционные модели стали общепринятыми, считалось, что космологическая постоянная не имеет отношения к текущей Вселенной.

Почти все инфляционные модели предсказывают, что общая плотность Вселенной (материя + энергия) должна быть очень близка к критической плотности. В 1980-х годах большинство космологических исследований было сосредоточено на моделях только с критической плотностью вещества, обычно 95% холодной темной материи (CDM) и 5% обычной материи (барионов). Было установлено, что эти модели успешно формируют реалистичные галактики и скопления, но в конце 1980-х годов возникли некоторые проблемы: в частности, модель требовала значения постоянной Хаббла ниже, чем предпочиталось наблюдениями, и модель недооценивала наблюдения крупномасштабного скопления галактик. Эти трудности усилились после открытия анизотропии в космическом микроволновом фоне космическим аппаратом COBE в 1992 году, и в середине 1990-х годов активно изучались несколько модифицированных моделей CDM: они включали модель лямбда-CDM и модель смешанной холодной / горячей темной материи. Первые прямые доказательства существования темной энергии были получены из наблюдений за ускоренным расширением сверхновых в 1998 году Риссом и др. и Перлмуттером и др, и модель Лямбда-CDM затем стала ведущей моделью. Вскоре после этого темная энергия была подтверждена независимыми наблюдениями: в 2000 году в экспериментах с космическим микроволновым фоном "Бумеранг" и "Максимумы" был зафиксирован первый акустический пик космического микроволнового фона, показавший, что общая плотность (материя + энергия) близка к 100% от критической плотности. Затем, в 2001 году, 2dF-исследование красного смещения Галактики дало убедительные доказательства того, что плотность материи составляет около 30% от критической. Большая разница между этими двумя факторами поддерживает равномерную составляющую темной энергии, составляющую разницу. Гораздо более точные измерения, проведенные с помощью WMAP в 2003-2010 годах, продолжали поддерживать стандартную модель и давать более точные измерения ключевых параметров.

Термин "темная энергия", перекликающийся с "темной материей" Фрица Цвикки 1930-х годов, был введен Майклом Тернером в 1998 году.

Изменение в расширении с течением времени.

Высокоточные измерения расширения Вселенной необходимы для понимания того, как скорость расширения меняется во времени и пространстве. В общей теории относительности эволюция скорости расширения оценивается исходя из кривизны Вселенной и космологического уравнения состояния (взаимосвязи между температурой, давлением и совокупной плотностью вещества, энергии и энергии вакуума для любой области пространства). Измерение уравнения состояния для темной энергии является одной из крупнейших задач в наблюдательной космологии на сегодняшний день. Добавление космологической постоянной к стандартной космологической метрике FLRW приводит к модели лямбда-CDM, которую называют "стандартной моделью космологии" из-за ее точного соответствия наблюдениям.

По состоянию на 2013 год модель Лямбда-CDM согласуется с серией все более строгих космологических наблюдений, включая космический аппарат Планк и исследование наследия сверхновых. Первые результаты SNLS показывают, что среднее поведение (т. Е. уравнение состояния) темной энергии похоже на космологическую постоянную Эйнштейна с точностью до 10%. Недавние результаты команды космического телескопа Хаббл Higher-Z показывают, что темная энергия присутствовала по меньшей мере 9 миллиардов лет и в период, предшествующий космическому ускорению.

Природа:

Природа темной энергии более гипотетична, чем природа темной материи, и многое о ней остается в сфере предположений. Считается, что темная энергия очень однородна и не очень плотна, и, как известно, не взаимодействует ни с одной из фундаментальных сил, кроме гравитации. Поскольку она довольно разреженная и немассивная - примерно 10-27 кг/м3— ее вряд ли можно обнаружить в лабораторных экспериментах. Причина, по которой темная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную, составляя 68% от плотности вселенной, несмотря на то, что она настолько разбавлена, заключается в том, что она равномерно заполняет пустое пространство.

Энергия вакуума, то есть пары частица-античастица, генерируемые и взаимно аннигилирующие в течение определенного периода времени в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга в формулировке энергия-время, часто использовалась в качестве основного вклада в темную энергию. Эквивалентность массы и энергии, постулируемая общей теорией относительности, подразумевает, что энергия вакуума должна создавать гравитационную силу. Следовательно, ожидается, что энергия вакуума вносит вклад в космологическую постоянную, которая, в свою очередь, влияет на ускоренное расширение Вселенной. Однако проблема космологической постоянной утверждает, что существует огромное расхождение между наблюдаемыми значениями плотности энергии вакуума и теоретически большим значением энергии нулевой точки, полученным с помощью квантовой теории поля. Проблема космологической постоянной остается нерешенной.

Независимо от своей реальной природы, темная энергия должна была бы обладать сильным отрицательным давлением, чтобы объяснить наблюдаемое ускорение расширения Вселенной. Согласно общей теории относительности, давление внутри вещества способствует его гравитационному притяжению к другим объектам так же, как и плотность его массы. Это происходит потому, что физической величиной, которая заставляет материю генерировать гравитационные эффекты, является тензор энергии напряжений, который содержит как плотность энергии (или материи) вещества, так и его давление. В метрике Фридмана–Леметра–Робертсона–Уокера можно показать, что сильное постоянное отрицательное давление (то есть натяжение) во всей Вселенной вызывает ускорение расширения, если вселенная уже расширяется, или замедление сжатия, если вселенная уже сжимается. Этот эффект ускоряющегося расширения иногда называют "гравитационным отталкиванием".

Техническое определение.

В стандартной космологии существует три компонента Вселенной: материя, излучение и темная энергия. Материя - это все, чья плотность энергии измеряется с обратным кубом масштабного коэффициента, т.е. ρ ∝ -3, в то время как излучение - это все, что измеряется в обратной четвертой степени масштабного коэффициента (-4,,,). Это можно понять интуитивно: для обычной частицы в кубической коробке удвоение длины края коробки уменьшает плотность (и, следовательно, плотность энергии) в восемь раз (23). Для излучения уменьшение плотности энергии больше, потому что увеличение пространственного расстояния также вызывает красное смещение.

Последним компонентом является темная энергия: она является неотъемлемым свойством пространства и имеет постоянную плотность энергии, независимо от размеров рассматриваемого объема (ρ ∝ a0). Таким образом, в отличие от обычной материи, она не разбавляется расширением пространства.

Доказательства существования:

Доказательства существования темной энергии являются косвенными, но поступают из трех независимых источников:

• Измерения расстояния и их связь с красным смещением, которые предполагают, что вселенная расширилась больше во второй половине своей жизни.

• Теоретическая потребность в дополнительном типе энергии, который не является материей или темной материей, для формирования плоской с точки зрения наблюдений Вселенной (отсутствие какой-либо

обнаруживаемой глобальной кривизны).

• Измерения крупномасштабных волновых паттернов плотности массы во Вселенной.

Сверхновые.

В 1998 году Команда по поиску сверхновых с  опубликовала наблюдения сверхновыхтипа Ia ("один-А"). В 1999 году последовал проект по космологии сверхновых, в ходе которого было высказано предположение, что расширение Вселенной ускоряется. Нобелевская премия по физике за 2011 год была присуждена Солу Перлмуттеру, Брайану П. Шмидту и Адаму Г. Риссу за их лидерство в открытии

С тех пор эти наблюдения были подтверждены несколькими независимыми источниками. Измерения космического микроволнового фона, гравитационного линзирования и крупномасштабной структуры космоса, а также улучшенные измерения сверхновых согласуются с моделью Лямбда-CDM. Некоторые люди утверждают, что единственными признаками существования темной энергии являются наблюдения за измерениями расстояний и связанными с ними красными смещениями. Анизотропия космического микроволнового фона и барионные акустические колебания служат лишь для демонстрации того, что расстояния до данного красного смещения больше, чем можно было бы ожидать от "пыльной" Вселенной Фридмана–Леметра и локальной измеренной постоянной Хаббла.

Сверхновые полезны для космологии, потому что они представляют собой отличные стандартные свечи на космологических расстояниях. Они позволяют исследователям измерять историю расширения Вселенной, рассматривая взаимосвязь между расстоянием до объекта и его красным смещением, которое показывает, насколько быстро он удаляется от нас. Зависимость примерно линейная, согласно закону Хаббла. Измерить красное смещение относительно легко, но определить расстояние до объекта сложнее. Обычно астрономы используют стандартные свечи: объекты, для которых известна собственная яркость, или абсолютная величина. Это позволяет измерять расстояние до объекта по его фактической наблюдаемой яркости или видимой величине. Сверхновые типа Ia являются наиболее известными стандартными свечами на космологических расстояниях из-за их чрезвычайной и постоянной яркости.

Недавние наблюдения сверхновых согласуются с тем, что вселенная состоит на 71,3% из темной энергии и на 27,4% из комбинации темной материи и барионной материи.

Космический микроволновый фон.

Существование темной энергии, в любой форме, необходимо для согласования измеренной геометрии пространства с общим количеством материи во Вселенной. Измерения анизотропии космического микроволнового фона показывают, что вселенная близка к плоской. Чтобы форма Вселенной была плоской, плотность массы–энергии Вселенной должна быть равна критической плотности. Общее количество материи во Вселенной (включая барионы и темную материю), измеренное по космическому микроволновому фоновому спектру, составляет лишь около 30% от критической плотности. Это подразумевает существование дополнительной формы энергии для учета оставшихся 70%. Семилетний анализ, проведенный космическим аппаратом Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), показал, что вселенная состоит на 72,8% из темной энергии, на 22,7% из темной материи и на 4,5% из обычной материи. Работа, проведенная в 2013 году на основе наблюдений космического микроволнового фона с помощью космического аппарата Планк, дала более точную оценку 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и 4,9% обычной материи.

Крупномасштабная структура.

Теория крупномасштабной структуры, которая управляет формированием структур во Вселенной (звезд, квазаров, галактик и галактических групп и скоплений), также предполагает, что плотность вещества во Вселенной составляет всего 30% от критической плотности.

Исследование 2011 года, проведенное WiggleZ Galaxy survey, охватывающее более 200 000 галактик, предоставило дополнительные доказательства существования темной энергии, хотя точная физика, лежащая в ее основе, остается неизвестной. Исследование WiggleZ, проведенное Австралийской астрономической обсерваторией, просканировало галактики, чтобы определить их красное смещение. Затем, используя тот факт, что барионные акустические колебания регулярно оставляют пустоты диаметром ~ 150 Мпк, окруженные галактиками, пустоты использовались в качестве стандартных линеек для оценки расстояний до галактик до 2000 Мпк (красное смещение 0,6), что позволяет точно оценивать скорости галактик по их красному смещению и расстоянию. Данные подтвердили космическое ускорение до половины возраста Вселенной (7 миллиардов лет) и ограничивают ее неоднородность до 1 части из 10. Это подтверждает космическое ускорение, независимое от сверхновых.

Интегрированный эффект Сакса–Вульфа позднего времени.

Ускоренное космическое расширение приводит к тому, что гравитационные потенциальные ямы и холмы сглаживаются по мере прохождения через них фотонов, образуя холодные и горячие точки на космическом микроволновом фоне, выровненные с обширными супервидами и сверхскоплениями. Этот так называемый интегрированный эффект Сакса-Вулфа позднего времени (ISW) является прямым сигналом о темной энергии в плоской вселенной. О ее высокой значимости сообщили в 2008 году Хо и др. и Джанантонио и др.

Данные о постоянной Хаббла, полученные в результате наблюдений.

В последние годы значительное внимание привлек новый подход к проверке доказательств существования темной энергии с помощью данных наблюдений за постоянной Хаббла (OHD), также известных как космические хронометры.

Постоянная Хаббла, H(z), измеряется как функция космологического красного смещения. OHD напрямую отслеживает историю расширения Вселенной, используя пассивно развивающиеся галактики раннего типа в качестве "космических хронометров". С этого момента этот подход обеспечивает стандартные часы во Вселенной. Ядром этой идеи является измерение дифференциальной возрастной эволюции как функции красного смещения этих космических хронометров. Таким образом, она обеспечивает прямую оценку параметра Хаббла

Зависимость от дифференциальной величины, Δt/z, предоставляет больше информации и привлекательна для вычислений: она может свести к минимуму многие общие проблемы и систематические эффекты. Анализ сверхновых и барионных акустических колебаний (BAO)основан на интегралах от параметра Хаббла, тогда как Δt/z непосредственно измеряет ее. По этим причинам этот метод широко использовался для изучения ускоренного космического расширения и свойств темной энергии.

Теории темной энергии:

Статус темной энергии как гипотетической силы с неизвестными свойствами делает ее очень активным объектом исследований. Проблема рассматривается с самых разных точек зрения, таких как изменение преобладающей теории гравитации (общей теории относительности), попытки определить свойства темной энергии и поиск альтернативных способов объяснения данных наблюдений.

Космологическая постоянная.

Самое простое объяснение темной энергии заключается в том, что это внутренняя, фундаментальная энергия пространства. Это космологическая постоянная, обычно обозначаемая греческой буквой Λ (Лямбда, отсюда 

модель лямбда-CDM). Поскольку энергия и масса связаны в соответствии с уравнением E = mc2 , общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что эта энергия будет оказывать гравитационное воздействие. Ее иногда называют энергией вакуума, потому что это плотность энергии пустого пространства – вакуума.

Основная нерешенная проблема заключается в том, что те же самые квантовые теории поля предсказывают огромную космологическую постоянную, примерно на 120 порядков превышающую величину. Это должно было бы быть почти, но не совсем, отменено таким же большим термином с противоположным знаком.

Некоторые суперсимметричные теории требуют, чтобы космологическая постоянная была в точности равна нулю. Кроме того, неизвестно, существует ли метастабильное вакуумное состояние в теории струн с положительной космологической постоянной, и это было предположено Ульфом Даниэльссоном и др. что такого состояния не существует. Эта гипотеза не исключает других моделей темной энергии, таких как квинтэссенция, которые могут быть совместимы с теорией струн.

Квинтэссенция.

В моделях квинтэссенции темной энергии наблюдаемое ускорение масштабного коэффициента вызвано потенциальной энергией динамического поля, называемого полем квинтэссенции. Квинтэссенция отличается от космологической постоянной тем, что она может меняться в пространстве и времени. Чтобы она не скапливалась и не образовывала структуру, подобную материи, поле должно быть очень легким, чтобы оно имело большую комптоновскую длину волны. В простейших сценариях поле квинтэссенции имеет канонический кинетический член, минимально связано с гравитацией и не содержит операций более высокого порядка в своем лагранжиане.

Доказательств существования квинтэссенции пока нет, но и исключать ее нельзя. Обычно она предсказывает несколько меньшее ускорение расширения Вселенной, чем космологическая постоянная. Некоторые ученые считают, что лучшим доказательством квинтэссенции были бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и изменение фундаментальных констант в пространстве или времени. Скалярные поля предсказываются стандартной моделью физики элементарных частиц и теорией струн, но возникает проблема, аналогичная проблеме космологической постоянной (или проблеме построения моделей космологической инфляции): теория перенормировки предсказывает, что скалярные поля должны приобретать большие массы.

Проблема совпадений задает вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно тогда, когда это произошло. Если бы ускорение началось раньше во Вселенной, у таких структур, как галактики, никогда бы не было времени сформироваться, и у жизни, по крайней мере, такой, какой мы ее знаем, никогда бы не было шанса на существование. Сторонники антропного принципа рассматривают это как подтверждение своих аргументов. Однако многие модели квинтэссенции имеют так называемое поведение "следопыта", которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая близко отслеживает (но меньше) плотность излучения до равенства материи и излучения, что приводит к тому, что квинтэссенция начинает вести себя как темная энергия, в конечном итоге доминируя во Вселенной. Это, естественно, устанавливает низкую энергетическую шкалу темной энергии.

В 2004 году, когда ученые сопоставили эволюцию темной энергии с космологическими данными, они обнаружили, что уравнение состояния, возможно, пересекло границу космологической постоянной (w = -1) сверху вниз. Была доказана запретная теорема о том, что для этого сценария требуются модели по крайней мере с двумя типами квинтэссенции. Этот сценарий является так называемым сценарием Квинтома.

Некоторыми особыми случаями квинтэссенции являются фантомная энергия, при которой плотность энергии квинтэссенции фактически увеличивается со временем, и к-эссенция (сокращение от kinetic quintessence), которая обладает нестандартной формой кинетической энергии, такой как отрицательная кинетическая энергия. Они могут обладать необычными свойствами: фантомная энергия, например, может вызвать Большой разрыв.

В 2021 году группа исследователей утверждала, что наблюдения за напряжением Хаббла могут означать, что жизнеспособны только модели квинтэссенции с ненулевой константой связи.

Взаимодействующая темная энергия.

Этот класс теорий пытается создать всеобъемлющую теорию как темной материи, так и темной энергии как единого явления, которое изменяет законы гравитации в различных масштабах. Это могло бы, например, рассматривать темную энергию и темную материю как разные грани одного и того же неизвестного вещества или постулировать, что холодная темная материя распадается на темную энергию. Предполагается, что другим классом теорий, объединяющих темную материю и темную энергию, являются ковариантные теории модифицированных гравитаций. Эти теории изменяют динамику пространства-времени таким образом, что измененная динамика связана с тем, что было приписано присутствию темной энергии и темной материи. Темная энергия в принципе может взаимодействовать не только с остальным темным сектором, но и с обычной материей. Однако одной космологии недостаточно для эффективного ограничения силы связи между темной энергией и барионами, поэтому необходимо применять другие косвенные методы или лабораторные поиски. Недавнее предположение предполагает, что в настоящее время необъяснимый избыток, наблюдаемый в детекторе XENON1T в Италии, возможно, был вызван хамелеоновой моделью темной энергии. В июле 2022 года новый анализ, проведенный XENONnT, выявил избыток.

Переменные модели темной энергии.

Плотность темной энергии могла меняться во времени на протяжении истории Вселенной. Современные данные наблюдений позволяют нам оценить нынешнюю плотность темной энергии. Используя барионные акустические колебания, можно исследовать влияние темной энергии на историю Вселенной и ограничить параметры уравнения состояния темной энергии. С этой целью было предложено несколько моделей. Одной из наиболее популярных моделей является модель Шевалье–Поларски–Линдера (CPL). Некоторыми другими распространенными моделями являются, (Barboza & Alcaniz. 2008), (Jassal et al. 2005), (Wetterich. 2004). (Oztas et al. 2018).

Скептицизм, основанный на наблюдениях.

Некоторые альтернативы темной энергии, такие как неоднородная космология, направлены на объяснение данных наблюдений путем более точного использования устоявшихся теорий. В этом сценарии темная энергия на самом деле не существует и является всего лишь артефактом измерения. Например, если мы находимся в более пустой, чем в среднем, области космоса, наблюдаемая скорость космического расширения может быть ошибочно принята за изменение во времени или ускорение. Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности, чтобы показать, как может казаться, что пространство расширяется быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Несмотря на слабость, такие эффекты, рассматриваемые кумулятивно в течение миллиардов лет, могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, что мы живем в пузыре Хаббла. Однако другие возможности заключаются в том, что ускоренное расширение Вселенной - это иллюзия, вызванная относительным движением нас относительно остальной Вселенной, или что использованные статистические методы были ошибочными. Попытка прямого обнаружения в лаборатории не привела к обнаружению какой-либо силы, связанной с темной энергией.

Объяснения темной энергии, основанные на скептицизме наблюдений, как правило, не получили большого распространения среди космологов. Например, статья, в которой предполагалось, что анизотропия локальной Вселенной была искажена как темная энергия, была быстро опровергнута другой статьей, утверждавшей, что в оригинальной статье допущены ошибки. Другое исследование, ставящее под сомнение основное предположение о том, что светимость сверхновых типа Ia не меняется с возрастом звездного населения, также было быстро опровергнуто другими космологами.

Как общий релятивистский эффект, обусловленный черными дырами.

Эта теория была сформулирована исследователями Гавайского университета в Маноа в феврале 2023 года. Идея заключается в том, что если требуется, чтобы метрика Керра (которая описывает вращающиеся черные дыры) была асимптотой к метрике Фридмана-Робертсона-Уокера (которая описывает изотропную и однородную вселенную, что является основным допущением современной космологии), то обнаруживается, что черные дыры набирают массу по мере расширения Вселенной. Скорость измеряется как ∝a3, где a - масштабный коэффициент. Этот конкретный показатель означает, что плотность энергии черных дыр остается постоянной с течением времени, имитируя темную энергию. Теория называется "космологическая связь", потому что черные дыры соединяются в соответствии с космологическим требованием. Другие астрофизики настроены скептически, но согласны с тем, что концепция заслуживает дальнейшего изучения.

Другой механизм, приводящий к ускорению:

Модифицированная гравитация.

Доказательства существования темной энергии в значительной степени зависят от общей теории относительности. Следовательно, вполне возможно, что модификация общей теории относительности также устраняет необходимость в темной энергии. Таких теорий очень много, и исследования продолжаются. Измерение скорости гравитации в первой гравитационной волне, измеренное негравитационными средствами (GW170817), исключило многие модифицированные теории гравитации как объяснения темной энергии.

Астрофизик Итан Сигел утверждает, что, хотя такие альтернативы широко освещаются в основной прессе, почти все профессиональные астрофизики уверены, что темная энергия существует, и что ни одна из конкурирующих теорий не объясняет наблюдения с таким же уровнем точности, как стандартная темная энергия.

Последствия для судьбы Вселенной:

По оценкам космологов, ускорение началось примерно 5 миллиардов лет назад. До этого считалось, что расширение замедлялось из-за притягивающего влияния материи. Плотность темной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем темная энергия, и в конечном итоге доминирует темная энергия. В частности, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, но плотность темной энергии почти не меняется (она точно постоянна в случае космологической постоянной).

Прогнозы на будущее могут радикально отличаться для разных моделей темной энергии. Для космологической постоянной или любой другой модели, которая предсказывает, что ускорение будет продолжаться бесконечно, конечным результатом будет то, что галактики за пределами Локальной группы будут иметь скорость в прямой видимости, которая постоянно увеличивается со временем, в конечном итоге намного превысив скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности, поскольку используемое здесь понятие "скорость" отличается от понятия скорости в локальной инерциальной системе отсчета, которая по-прежнему ограничена скоростью, меньшей скорости света для любого массивного объекта (см. Использование надлежащего расстояния для обсуждения тонкостей определения любого понятия относительной скорости в космологии). Поскольку параметр Хаббла уменьшается со временем, действительно могут быть случаи, когда галактике, удаляющейся от нас быстрее света, удается излучить сигнал, который в конечном итоге достигает нас.

Однако, из-за ускоряющегося расширения, прогнозируется, что большинство галактик в конечном итоге пересекут космологический горизонт событий, когда любой свет, который они излучают после этой точки, никогда не сможет достичь нас в любое время в бесконечном будущем, потому что свет никогда не достигает точки, в которой его "специфическая скорость" по направлению к нам превышает скорость расширения от нас (эти два понятия скорости также обсуждаются в разделе Использование надлежащего расстояния). Предполагая, что темная энергия постоянна (космологическая постоянная), текущее расстояние до этого космологического горизонта событий составляет около 16 миллиардов световых лет, что означает, что сигнал от события, происходящего в настоящее время, в конечном итоге сможет достичь нас в будущем, если событие произойдет менее чем в 16 миллиардах световых лет от нас, но сигнал никогда не достигнет нас, если событие произойдет более чем в 16 миллиардах световых лет от нас.

По мере того, как галактики приближаются к точке пересечения этого космологического горизонта событий, свет от них будет становиться все более и более красным смещением, вплоть до того, что длина волны станет слишком большой, чтобы ее можно было практически обнаружить, и галактики, по-видимому, полностью исчезнут. Планета Земля, Млечный Путь и Местная Группа, частью которой является Млечный Путь, остались бы практически нетронутыми, поскольку остальная вселенная отступает и исчезает из поля зрения. В этом сценарии Местную группу в конечном счете постигла бы тепловая смерть, точно так же, как предполагалось для плоской Вселенной с преобладанием материи до измерений космического ускорения.

Существуют и другие, более умозрительные идеи о будущем Вселенной. Модель темной энергии с использованием фантомной энергии приводит к дивергентному расширению, что подразумевает, что эффективная сила темной энергии продолжает расти до тех пор, пока она не доминирует над всеми другими силами во Вселенной. Согласно этому сценарию, темная энергия в конечном счете разорвала бы на части все гравитационно связанные структуры, включая галактики и солнечные системы, и в конечном итоге преодолела бы электрические и ядерные силы, чтобы разорвать сами атомы, положив конец Вселенной в "Большом разрыве". С другой стороны, темная энергия может со временем рассеяться или даже стать привлекательной. Такие неопределенности оставляют открытой возможность того, что гравитация в конечном итоге возобладает и приведет ко Вселенной, которая сжимается сама по себе в "Большом сжатии", или что может даже существовать цикл темной энергии, что подразумевает циклическую модель Вселенной, в которой каждая итерация (Большой взрыв, затем, в конечном итоге, Большой сжатие) занимает около триллиона (1012) лет. Хотя ни одно из них не подтверждается наблюдениями, они не исключены.

В философии науки:

Астрофизик Дэвид Меррит определяет темную энергию как пример "вспомогательной гипотезы", специального постулата, который добавляется к теории в ответ на наблюдения, фальсифицирующие ее. Он утверждает, что гипотеза темной энергии является конвенционалистской гипотезой, то есть гипотезой, которая не добавляет эмпирического содержания и, следовательно, не поддается проверке в смысле, определенном Карлом Поппером. Однако его мнение, похоже, не является консенсусным и противоречит истории космологии