Темная энергия и судьба Вселенной - Релятивистская космология: прошлое и будущее нашей Вселенной

Решающие наблюдения начали в 1997 году две очень многочисленные группы исследователей под руководством Адама Райса, Брайана Шмидта и Сола Перлмуттера (США). Уже в 1998 году были получены и опубликованы первые результаты. 20 июня 2003 года вышел тематический номер научного журнала "Science" (№5627) с черной обложкой, на которой едва просматривается черная же надпись "The Dark Side" (Темная сторона). Такое кокетство для журнала "Science" совершенно необычно. Журнал привел четыре статьи ведущих исследователей, которые сопоставили результаты наблюдений далеких сверхновых, темной материи и реликтового излучения. Первые итоги оказались такими: постоянная Хаббла составляет 72 ± 8 км/c на каждый миллион парсеков. Возраст Вселенной 13,6 ± 1,5 миллиарда лет (еще более точное определение возраста Вселенной получено в эксперименте на спутнике WMAP - 13,7 ± 0,2 миллиарда лет). Вселенная на 72% состоит из темной энергии и на 28 ± 5% из темной массы. Все эти понятия в последние годы зрели главным образом в двух областях физики: в космологии и квантовой механике, пытающейся объединиться с теорией гравитации (она же общая теория относительности).

Скрытая (или темная) масса тоже не внезапно возникла в астрофизике. Выводы работы А. Фридмана (1922), в которой он рассматривал разные варианты кривизны мира, касались дальнейшей судьбы Вселенной. Судьба зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Вселенная может неограниченно расширяться; расширение может остановиться; его может сменить сжатие. Два последних варианта активно рассматривались астрофизиками, причем в 80-е годы в них было включено также невообразимо быстрое расширение Вселенной (так называемая инфляция), происшедшее в первые мгновения Большого взрыва. Средняя плотность вещества во Вселенной в принципе поддавалась определению уже в середине ХХ века. Но получалось что-то странное. В 30-е годы астроном Фриц Цвикки изучал движение связанной группы галактик, каждая из которых движется настолько быстро, что должна была бы покинуть группу, так как их общее тяготение примерно в 10 раз меньше того, что могло бы их удержать. Тем не менее, они остаются в составе группы. Суммарную массу звезд, газа и пыли в галактиках ученые умеют определять. Она недостаточна. Оставалось предположить, что есть еще какая-то темная масса, что-то, чего астрономы не замечают. Но почему? Именно среднюю плотность вещества, включая темную массу, астрономы надеялись вычислить из новых наблюдений очень удаленных сверхновых, сопоставляя их с другими данными, полученными из наблюдений реликтового излучения.

На явное несоответствие массы видимого вещества Вселенной его наблюдаемому движению указывает еще один экспериментальный результат. Это тот самый уникальный эффект, который в 1948 году был предсказан Гамовым, а соответствующим инструментом космология обзавелась немного позже, в последней трети ХХ века. В российской науке его называют реликтовым излучением, в западной - микроволновым космическим фоновым излучением. За его открытие в 1965 году астрофизики Арно Пензиас и Роберт Уилсон (США) удостоены Нобелевской премии. Те, кто знаком с радиотехникой, с интересом узнали, что возможности снижения шума в принимаемом радиосигнале не беспредельны. Даже самые совершенные антенны вместе с полезным сигналом принимают небольшой шум, который, как оказалось, приходит сразу со всех сторон. Происхождение шума поняли далеко не сразу. Оказалось, что это бывший свет, свет остатков вспышки Большого взрыва. Когда-то он был почти таким же ярким, как свет Солнца, но светил со всех сторон. В течение 400 тысяч лет после Большого взрыва среда оставалась настолько плотной и горячей, что была непрозрачной для собственного излучения. Наконец, когда из-за расширения температура упала до 4000 градусов, среда стала прозрачной и излучение с температурой 4000 К вырвалось на свободу. То же пространство окружает нас со всех сторон и сегодня, но оно настолько расширилось, что из-за красного смещения максимум излучения сместился с 0,7 мкм (оранжевый свет) до 1 мм (радиоволны) и воспринимается как радиошум, излучаемый телом с температурой, близкой к абсолютному нулю (2,7 К).

Реликтовое излучение стало особой темой космологии. Оно заменило когда-то существовавшее понятие эфира: скорость движения Солнечной системы, Земли или космического аппарата нельзя найти относительно вакуума, но можно определить относительно реликтового излучения. А нельзя ли по его неоднородностям представить, как было разбросано вещество в пространстве в мгновение Большого взрыва? Оказалось, что можно. Реликтовое излучение позволило выбрать из моделей Фридмана плоскую Вселенную. Для измерения понадобились приборы, способные уловить в реликтовом излучении ничтожные неоднородности - в стотысячные доли градуса. Наблюдения показывают, что, во-первых, фон удивительно однороден. Во-вторых, полученные колебания указывают все-таки на такие неоднородности, для образования которых "обычного" вещества было явно недостаточно. Что-то непонятное и массивное уже тогда присутствовало в рождающейся Вселенной.

Такой же парадокс наблюдается и у нас "дома", в нашей Галактике, спустя 13,7 миллиарда лет. Все звезды обращаются вокруг центра Галактики, которая имеет форму диска. Солнце со своими планетами завершает один оборот вокруг центра за 250 миллионов лет. Вокруг центра обращаются и шаровые звездные скопления, которые при этом периодически то поднимаются над плоскостью Галактики, то опускаются под нее. Опять-таки суммарная масса звезд, газа и пыли в диске Галактики значительно меньше той массы, которая должна была бы объяснить и обращение звезд, и такое своеобразное движение шаровых скоплений. В связи с актуальностью новых космологических задач астрономы со всей тщательностью взялись за ревизию существующих оценок массы Вселенной. Результат оказался ошеломляющим: все, что мы видим во Вселенной: звезды, газ, пылевые скопления и почти открытые черные дыры, - составляет всего 0,4% ее массы. (А ведь недавно предполагалось, что основная часть массы Вселенной сосредоточена в звездах.) Излучение дает еще 0,005%. С высокой вероятностью существуют относительно массивные, пока не открытые, несветящиеся объекты - прежде всего, межгалактические облака водорода, которые трудно обнаружить, главным образом по техническим причинам. На них, предположительно, приходится около 3,6%. При самых смелых гипотезах полная масса обычного вещества составит не более 4% от массы Вселенной! Больше взять неоткуда. Эти 4% образует материя, состоящая из барионов, к классу которых относятся нейтроны и протоны. Электроны столь же многочисленны, как и протоны, но их масса на несколько порядков меньше. Барионная материя - это весь мир обычного вещества Вселенной. Но опубликованные в 2003-2004 годах результаты новых исследований свойств реликтового излучения приборами спутника WMAP показали, что в общей сумме барионной и темной масс барионная материя занимает только 17%.

Большая часть материи во Вселенной является "темной материей", которая не испускает, не поглощает и не рассеивает свет. Более того, наблюдения далеких сверхновых показали, что большая часть плотности энергии во Вселенной это плотность энергии вакуума ("темная энергия"), подобная космологической постоянной Эйнштейна, которая обеспечивает ускоряющееся расширение Вселенной. Эти странные выводы получили сильное подтверждение данными о температурной анизотропии при небольших углах сканирования, которые были получены с помощью Датчика микроволновой анизотропи Вилкинсона (Wilkinson) - (WMAP) в 2003 г.

Из всех соображений, упомянутых выше, следует, что темная масса Вселенной в 6 раз превышает массу материи обычной - той, что видят, и что пока не замечают глаза и приборы. До 70-х годов астрофизики предполагали существование темной массы только в скоплениях галактик. Затем ее "допустили" и в нашу Галактику, где на нее приходится примерно столько же массы, сколько и на обычную материю. В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой. В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика. Темная масса никак не взаимодействует с излучением любых видов, никак не светит сама и ничего не поглощает. Но она подвержена закону всемирного тяготения и проявляет себя, концентрируясь вокруг галактик и других массивных объектов. Впрочем, правильнее сказать, наверное, что это галактики и другие массивные объекты концентрируются вокруг скоплений таинственной темной массы, которой в 6 раз больше. Именно возникавшие на ранней стадии Вселенной неоднородности распределения темной массы привели к образованию первых протогалактик. Более того, из наблюдений спутника WMAP следует, что она уже существовала в момент Большого взрыва. Без нее наш мир не мог возникнуть. Кроме тяготения темная масса ничем себя не выдает. Предполагается, что она состоит из каких-то неизвестных элементарных частиц с парадоксальными свойствами (для них уже предложено название: "нейтралино"). Они не только не реагируют на излучение, но и практически не взаимодействуют между собой. Многие исследователи считают, что они оставались холодными даже при Большом взрыве, никак не реагируя на миллиарды его градусов. О них нет никаких, абсолютно никаких экспериментальных данных - кроме гравитации. Зато есть очень научное название: "холодная бесстолкновительная темная материя". Находится ли темная масса прямо здесь, рядом с нами, или, чтобы ее почувствовать, нужна вся Галактика? В наше время обычная и темная материи обитают по соседству, но пристрастия у них разные. Темная материя рассеяна в окружающей Галактику сфере, а обычная сконцентрирована в диске и центральных частях Галактики.

Но что же могли бы представлять собой эти гипотетические элементарные частицы темной массы? Есть только догадки теоретиков, причем около десятка вариантов. Во-первых, частицы темной массы должны быть долгоживущими, не должны распадаться радиоактивным образом в течение, по меньшей мере 14 000 000 000 лет. Раз они оставались холодными при Большом взрыве, значит, они нерелятивистские (медленные) и поэтому способны были создать гравитационные неоднородности прямо в момент взрыва. Кандидатами на роль частиц темной массы называют слабо взаимодействующие массивные частицы (английская аббревиатура WIMPs), которым теоретики приписывают интересные свойства, но которые, увы, еще не открыты. Что уже известно, так это плотность темной массы. В межгалактическом пространстве, в кубе со стороной 170 000 км (половина расстояния до Луны), содержится в среднем всего 1 г обычного, барионного (светящегося), вещества и около 10 г темной массы. Вблизи Земли-Луны (и вообще в Солнечной системе) плотность обычного вещества в миллионы раз больше. Но в целом Вселенная - это главным образом пустота (а лучше сказать - вакуум).

В конце ХХ века считалось, что в формировании Вселенной принимали участие две гигантские силы. Согласно этим представлениям, первой был Большой взрыв с невообразимо быстрым расширением на ранней стадии. Затем энергия и масса стали конденсироваться в элементарные частицы, атомы, звезды и галактики, удалявшиеся друг от друга с большой скоростью (по-видимому, это и есть скорость расширения самого пространства, хотя с этим понятием возникает путаница). Но вторая сила, их взаимное тяготение, поглощала кинетическую энергию разлета, постепенно замедляя движение. Выяснение характера замедления и должно было стать ответом на предлагаемые сценарии дальнейшего развития событий: остановится ли оно когда-нибудь и пойдет вспять, или тяготения недостаточно, и расширение, замедляясь, будет продолжаться вечно. Разбросанные в вакууме Вселенной вспышки сверхновых в удаленных на разные расстояния галактиках, как надеялись ученые, дадут, наконец, ответ. И ответы действительно были получены. Только совсем не те, что ожидались. В дело вмешался вакуум, который, скорее всего, и определяет судьбу Вселенной и даже, возможно, ее отдаленную катастрофу.

Физики и раньше считали, что вакуум космического пространства - самый сложный объект природы. Но уже 100 лет экспериментаторы никак не могут к нему подступиться, хотя он в их распоряжении в неограниченном количестве. На свойствах вакуума построена вся радиосвязь, от космических аппаратов до телевидения и сотовых телефонов. Но это лишь одно из многих его свойств. Квантовая теория показывает, что вакуум как бы кипит элементарными частицами, которые парами частица-античастица (например, электрон-позитрон) на мгновение появляются на его "поверхности" (поверхности чего?) и тут же ныряют обратно. Эти пары называются виртуальными; они вездесущи. Ими объясняются даже некоторые особенности спектра водорода. При определенных условиях физикам удается их "поймать".

Виртуальные частицы обладают некоторой энергией. На первый взгляд, исходя из интуитивных представлений, о какой энергии пустоты можно говорить? В конце 60-х годов энергия пустоты вышла в ряд важнейших проблем теоретической физики. Общая теория относительности требует, чтобы в качестве источников гравитации рассматривались все формы энергии, включая энергию пустоты. В 1967 году Зельдович провел первые расчеты плотности энергии квантового вакуума и нашел, что ей соответствует лямбда-член невообразимой величины. В 1967 и 1968 годах он опубликовал работы, в которых показал, что лямбда-член, или космологическая постоянная, - это не кривизна мира, а плотность энергии вакуума. Космологическая постоянная становилась темой номер один. Теоретики снова и снова обращались к плотности энергии вакуума. Сказать, что их результаты кажутся абсурдными, - слишком мягко. Расчеты показывали, что энергия пустого пространства превосходит ВСЮ энергию Вселенной (если оценить ее с помощью знаменитого "эм-цэ-квадрат"), нет, не в миллиарды, не в триллионы - в единицу со 120 нулями раз. При некоторых (условных) допущениях можно ввести ограничение, и число нулей снижается до 55, от чего не легче. Если допустить, что столь высокая плотность энергии вакуума реальна, она мгновенно раздробила бы и разбросала все вещество Вселенной.

На существование антигравитации указывают результаты исследований реликтового излучения и наблюдения сверхновых. Источник антигравитации, темная энергия, представляет собой несравненно большую загадку, чем темная масса. По-видимому, влияние темной энергии существовало всегда, но стало проявляться лишь тогда, когда силы гравитации Вселенной ослабились из-за ее расширения. Наиболее подходящий кандидат на роль темной энергии - вакуум. Есть и другая гипотеза: космическое ускорение может объясняться ослабленной формой тех чудовищных сил, которые разбросали материю в Большом взрыве. По существу, это замена одного неизвестного явления другим, еще более неизвестным, или, может быть, просто замена названия. Неизвестно даже, тот ли вакуум сегодня правит во Вселенной, что был в момент ее рождения, и тот ли это вакуум, который в лабораториях штурмуют физики. Ученые размышляют, сжимаема ли темная энергия и не изменялись ли ее свойства во времени.

Теоретические исследования указывают на совершенно фантастическое, с точки зрения здравого смысла, свойство вакуума: он должен иметь отрицательное давление, причем плотность его энергии при расширении остается, как ни странно, постоянной, в то время как в газовой среде давление положительно и падает с расширением. Интересно сравнить плотности энергии вакуума и темной материи. На тот же межгалактический куб со стороной 170 000 км, с 1 г обычного вещества и 10 г темной массы, приходится 25 г темной энергии, если выразить ее как плотность массы. Вакуум является самой плотной средой. Но в отличие от темной и светящейся материй, распределение которых неоднородно, плотность вакуума абсолютно одинакова во всей Вселенной. Среди других парадоксальных свойств вакуума - его плотность и давление неизменно, несмотря на расширение Вселенной, которое он и вызывает, сам оставаясь неизменным. На вакуум нигде и ничто не влияет. В отличие от реликтового излучения, движение относительно вакуума не обнаруживается. Вакуум всегда попутный, как было показано в знаменитом эксперименте Альберта Майкельсона еще в 1881 году.

Судьба нашей Вселенной, сценарий дальнейших в ней событий теперь полностью определяются темной энергией, если ее свойства во времени остаются неизменными. Всемирное тяготение в межгалактических масштабах свое отыграло и больше не вернется. Теоретики рассматривают уравнение состояния темной энергии при разных ее плотности и давлении. Если ее свойства неизменны, уравнение состояния w приравнивает к -1. Некоторые повороты теории допускают пределы w от 0 до -1, а наблюдения сверхновых указывают на величину, близкую к -1. Значения большие по абсолютной величине, скажем -1,1, приводят к появлению бесконечностей и логических бессмысленностей. Вряд ли это смущает природу, но теоретиков ставит в тупик.

В обзорной статье в упоминавшемся выпуске журнала "Science" грядущие события описывались весьма драматично следующим сценарием дальнейшей эволюции Вселенной. Антигравитация со временем все нарастает. Через несколько миллиардов лет она приступает к "Большому вспарыванию" ткани Вселенной. Сначала разрушаются скопления галактик, и под действием темной энергии они "выстреливаются" из скоплений. В оптимистическом варианте это происходит примерно через 10 миллиардов лет (так что время у нас еще есть). Спустя несколько сотен миллионов лет после этого наша и другие галактики разлетаются на куски. Далее события все ускоряются. Распадаются планетные системы, планеты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и планеты. Химические соединения распадаются на атомы, но и атомы теряют стабильность: ядра не могут удержать электроны. Под действием колоссальных давлений "вспарываются" протоны и нейтроны... Примерно такие страсти звучали и в некоторых научно-популярных статьях и выступлениях, что вызвало у физиков-космологов, как было принято писать недавно, "гневное негодование". В их более реальном сценарии антигравитация мало что меняет в уже существующих галактиках, а тем более в Солнечной и других планетных системах. От антигравитации они защищены своей массой. Происходит же следующее: антигравитация действительно нарастает, что приводит ко все ускоряющемуся взаимному удалению галактик и постепенному уходу их за горизонт Вселенной. В этом смысле пространство становится все более и более пустым. Галактики на небе того далекого времени астрономы будут считать по пальцам. Но отбирать у нас Солнце (которому, кстати, до этой поры все равно не дожить) никто не собирается. Таков сценарий "Большого вспарывания" исходя из того, что о свойствах темной энергии известно сегодня. Но окончательный ли это сценарий?

Темная энергия и судьба Вселенной - Релятивистская космология: прошлое и будущее нашей Вселенной

Похожие статьи