Доктор физико-математических наук И. Ройзен
Несколько лет назад астрофизики обнаружили интригующий факт. Результаты наблюдений за далекими сверхновыми звездами показали, что Вселенная расширяется заметно быстрее, чем ей "предписывает" общепринятая теория: ее как бы "распирает" некая сила, о природе которой почти ничего неизвестно. Предполагается только, что она представляет собой остатки некоего поля, существовавшего в первые мгновения жизни Вселенной, которых, однако, хватает, чтобы повлиять на ее дальнейшую судьбу. Статья написана по материалам работы Э. Линдера, профессора Национальной лаборатории им. Лоуренса и Космологического центра при Флоридском университете, опубликованной в журнале "CERN COURIER" в сентябре 2003 года.
Туманность "Паруса" - остатки взрыва сверхновой.
Снимки наиболее удаленной сверхновой, сделанные космическим телескопом Хаббл.
Схематическое изображение возможных решений уравнений общей теории относительности с отличной от нуля вакуумной энергией (космологической константой), сопоставленное с данными наблюдений сверхновых звезд, реликтового излучения и скоплений галактик.
Уже полученные результаты (с вертикальными отрезками, отвечающими экспериментальным ошибкам) и ожидаемые (красные точки) от будущих наблюдений за сверхновыми с бoльшими значениями красного смещения (или величины z).
Основные элементы орбитальной лаборатории SNAP (Supernova/Acceleration Probe).
Пространственная структура реликтового излучения, заполняющего Вселенную.
Недавно была сформулирована новая версия стандартной космологической модели Вселенной, названная "космическим согласием" ("cosmic concordance"). Она описывает широкий круг явлений в рамках теперь уже надежно обоснованной модели горячей Вселенной, ведущей начало с так называемого Большого взрыва (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1996 г.). Согласно этой версии, вся материя состоит из трех основных компонент: барионной (в основном это нуклоны и гипероны), которую описывает общепринятая модель элементарных частиц; небарионной темной материи, предположительно представленной либо неизвестными еще почти невзаимодействующими массивными частицами, либо гипотетическими аксионами - очень легкими и тоже очень слабо связанными с барионами частицами с нулевым спином, существование которых также не противоречит основам современной квантовой теории; и, наконец, - в этом как раз и состоит довольно неожиданный сюрприз - темной энергии, относительно физической природы которой мы практически еще ничего не знаем. При этом на долю барионов приходится всего лишь около 4% всей массы (здесь масса М понимается в релятивистском смысле как M = E /c 2 , где E - полная энергия, а c - скорость света, причем обычно пользуются системой единиц, в которой c = 1). Часть барионов - тоже "темная", а точнее холодная, в том смысле, что не обнаруживает себя непосредственно светом раскаленных звезд. Темная материя составляет примерно 20-25% всей массы. Львиная же доля - 70-75% всей массы - приходится на темную энергию, которая пока обнаруживает себя только тем, что влияет на скорость глобального расширения Вселенной. Эта фоновая энергия распределена равномерно, во всяком случае, в пространственных масштабах, превышающих размеры всех известных неоднородностей (скажем, скоплений галактик).
Представление о темной энергии возникло в 1998 году и связано с наблюдениями за сверхновы ми звездами, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря своим уникальным свойствам эти звезды используют в качестве маркеров для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Так вот, в 1998 году две группы астрофизиков - одна в США, а другая в Австралии - почти одновременно обнаружили, что самые далекие сверхновые светят не так ярко, как это ожидалось, исходя из того, что Вселенная заполнена материей, гравитирующей по закону Ньютона, то есть обратно пропорционально квадрату расстояния. Это означало, что они расположены от нас дальше, чем должны были бы находиться, если бы Вселенная расширялась в поле обычных гравитационных сил. Таким образом, с достоверностью 99% можно утверждать, что во Вселенной должна быть еще какая-то дополнительная энергия, способная на космологических расстояниях противостоять гравитаци онному притяжению материи. Она и есть то, что стали понимать под словами "темная энергия".
С тех пор получено множество новых свидетельств в пользу данного утверждения - как в ходе дальнейших и более надежных наблюдений за сверхновыми, так и в результате ряда других исследований. Таковыми были, прежде всего, детальные измерения энергетического спектра реликтового излучения в наземных лабораториях и со спутников (см. "Наука и жизнь" № 1, 1993 г.). Эти же эксперименты показали, что Вселенная плоская (во всяком случае - почти), то есть ее видимая пространственная геометрия эвклидова, что согласуется с предсказанием инфляционной модели (см. "Наука и жизнь" № 8, 2002 г.). В то же время наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что обычная материя (барионная и темная) может обеспечить всего лишь 20-30% необходимой для этого средней плотности энергии. Таким образом, все сходится к тому, что около трех четвертей этой плотности следует отнести на счет темной энергии, которая и ускоряет расширение Вселенной.
О ПРИРОДЕ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ
Откуда же все-таки берется эта темная энергия? Вразумительного ответа на этот вопрос пока нет, но обычно его пытаются найти, комбинируя уравнения общей теории относительности (ОТО) с уравнениями состояния вещества, о которых для начала поговорим вкратце.
Под уравнениями состояния вещества понимается взаимозависимость между плотностью полной энергии e и давлением p. Простейшим примером является уравнение Клапейрона для идеального газа p = 2/3 ke к = = 2/3 k (e - r), где k - постоянная Больцмана, e к - плотность кинетической энергии и r - плотность массы покоя.
В нерелятивистской среде (где величина массы намного превышает кинетическую энергию частиц) давление ничтожно мало по сравнению с плотностью полной энергии, так что в данном контексте его можно с очень хорошей точностью считать просто равным нулю. В релятивистской среде (когда, наоборот, кинетическая энергия намного больше массы покоя) плотность энергии всего лишь втрое больше давления, e = 3p . А в вакууме сумма e + p = 0, то есть они отличаются только знаком (иначе говоря, e/p = -1). Последнее прямо вытекает из того, что по самому своему смыслу вакуум должен быть релятивистски инвариантным, то есть выглядеть одинаково во всех системах координат, а упомянутое только что уравнение состояния - единственное, которое удовлетворяет этому требованию. На первый взгляд кажется, что в вакууме вообще "ничего нет", и, стало быть, просто e = p = = 0. Но такие "естественные" аргументы проходят только в рамках классической теории. Уже давно и хорошо известно, что плотность энергии квантового вакуума может отличаться от нуля и притом весьма значительно (примером тому служат неустранимые нулевые колебания).
Теперь обратимся к уравнениям ОТО. В них давление само "гравитирует", то есть в определенном смысле становится эквивалентным массе (энергии), и знак полного гравитационного взаимодействия определяется знаком суммы e + 3p . Если он положителен - а это, очевидно, так для любой среды, кроме вакуума, - имеет место хорошо знакомое нам притяжение. А вот в вакууме может быть что угодно: там e вак + p вак = 0, так что e вак + 3p вак = 2p вак, и все зависит от знака давления. Если p вак і 0 (и, значит, e вак Ј 0), то качественно мало что меняется: вакуум или не повлияет никак, или же добавит в "общий котел" некоторое дополнительное равномерно размазанное по Вселенной притяжение. Но если p вак < 0 (и, значит, e вак > 0), то вакуум привнесет в этот "общий котел" антигравитационную составляющую - отталкивание, что совсем небезобидно. Дело в том, что, будучи равномерно размазанной по всему пространству, она с ростом расстояния станет все сильнее подавлять притяжение "локализованной" материи и рано или поздно обязательно возобладает в суммарном вкладе по всему объему, обеспечив, таким образом, выталкивание (а не притяжение!) материи за его пределы!
По существу, именно это соображение положено в основу инфляционной модели, утверждающей, что в очень ранней Вселенной абсолютно доминировала огромная (положительная!) энергия вакуума, который по этой причине стремительно раздувался, а вещество появилось лишь позднее.
Формально такой режим можно смоделировать математически, введя в уравнения ОТО положительную космологическую константу. Вакуум ОТО с ненулевой космологической константой давно и детально изучен и известен под названием "мир де-Ситтера". Его свойства весьма интересны и во многом парадоксальны, но их обсуждение увело бы нас в сторону. Интересно, однако, то, что уравнения ОТО с положительной космологической константой, включающие в себя не только гравитацию, но и антигравитацию, могли бы на первый взгляд пролить свет если не на физический смысл, то хотя бы на определенную математическую интерпретацию темной энергии. Но тут мы оказываемся перед лицом почти неразрешимой проблемы.
Дело в том, что величина космологической константы, необходимая для объяснения наблюдаемых размеров Вселенной с помощью инфляционной модели, настолько велика, что сейчас темная энергия должна была бы превышать энергию, связанную с обычной материей, примерно на 120 порядков (то есть быть в 10 120 раз больше!). А между тем она, как уже упоминалось, хотя и больше, но все-таки имеет тот же порядок величины.
Конечно, в результате фазового перехода с перестройкой вакуума, который почти несомненно случился в ранней Вселенной, космологическая константа могла измениться (и наверняка изменилась), но все же пока совершенно непонятно, как и почему произошла столь "тонкая настройка", что она уменьшилась именно на 120 порядков, а не, скажем, в 10 или 100 раз. Правда, возможна и так называемая антропологическая позиция: если бы случилось иначе, то сейчас было бы некому задаваться подобными вопросами. Однако если не становиться на позицию фаталистов и не считать, что все сущее обязано воле случая, - одним словом, если не закапывать по-страусиному голову в песок, - то стоит все-таки поискать более содержательный ответ.
И его интенсивно ищут. Погоня за все новыми экспериментальными свидетельства ми присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной.
Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Иначе говоря, нужно "просканировать" уравнение ее состояния по соответствующим величинам красного смещения, которое возникает в результате эффекта Доплера. Они определяются пара метром z є (l 0 - l е)/l е, где l 0 - длина волны принимаемого излучения, l е - длина волны испускаемо го излучения, их получают непосредственно из наблюдений. Или, что то же самое, уравнение нужно исследовать по всем значениям величины (1 + z ) - относительному различию характерных пространственных масштабов Вселенной от ее "туманной юности", когда было 1/(1 + z ) << 1 и, значит, красное смещение z >> 1, до наших дней, когда 1/(1 + z ) = 1 (то есть z = 0). Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.
Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах - это не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной.
Второе направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. И, наконец, третье направление - это выявление чрезвычайно малых пространственных флуктуаций темной энергии по сверхточному (прецизионному) измерению столь же мизерной анизотропии спектра реликтового излучения.
Возможности последних двух направлений серьезно ограничены естественными неопределенностями, неизбежно присущими астрофизике и космической статистике (в частности, тем, что в нашем распоряжении имеется, увы! - только одна Вселенная; хорошо известно, что эта "досадная недоработка природы" сильно сковывает руки и в исследовании ряда смежных вопросов). Как уже упоминалось выше, они тем не менее могут оказаться очень полезными для перекрестного сопоставления результатов.
В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до "Страшного космического суда" (на всякий случай - оно не может быть меньше многих миллиардов лет).
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
Барионы - элементарные частицы, обладающие (в отличие от всех других) так называемым барионным зарядом. Как показывает опыт, барионный заряд изолированной системы сохраняется точно или с очень высокой степенью точности, хотя причина этого неизвестна. Наиболее известные примеры барионов - протоны и нейтроны с барионным зарядом +1, а также соответствующие античастицы - антибарионы, барионный заряд которых равен -1.
Гипероны - "странные" барионы, иначе говоря - барионы, содержащие хотя бы один странный кварк.
Инфляционная модель - сценарий, в котором предполагается, что в первые мгновения своего существования Вселенная представляла собой "ложный вакуум" - метастабильное состояние без реальных частиц, которое не превратилось сразу же в реальный физический вакуум только потому, что для этого необходимо было преодолеть некоторый потенциальный барьер. Этот вакуум расширялся с огромной скоростью и, туннелируя через упомянутый барьер (напомним, что, в отличие от классической, квантовая механика этого не запрещает - пример тому спонтанное деление ядер и многие переходы в твердых телах), "сваливался" в реальный физический вакуум, энергия которого значительно ниже. В результате выделилась громадная энергия, произошел сильнейший разогрев, и во Вселенной появились реальные частицы (в соответствии с обычными законами термодинамики). С этого времени началось и происходит сейчас ее расширение (несравненно более медленное) и постепенное остывание (конечно, "в среднем"), как это качественно и предсказывает общепринятая модель горячей Вселенной.
Нулевые колебания - чисто квантовый эффект, означающий, что энергию частицы или поля нельзя понизить точно до нуля. В случае полей их энергия формально вообще бесконечна. Поскольку обычно всегда играют роль только разности энергий, эта энергия во всех расчетах сокращается. Однако в ОТО энергия приобретает абсолютный смысл.
Мир де-ситтера - так принято называть решения уравнений ОТО с космологической постоянной, которые описывают вакуумное состояние. Свойства последнего зависят от знака этой постоянной и сильно отличают его от "пустого вакуума".
Космологическая постоянная - величина, известная также под названием L-члена. Присутствие такого слагаемого в уравнениях ОТО ничем не запрещено, и вначале Эйнштейн считал его даже необходимым, так как без него стационарная Вселенная с одним только притяжением явно неустойчива. Когда же было найдено нестационарное решение ОТО (фридмановская расширяющаяся Вселенная) и тем более когда выяснилось, что именно оно отвечает реальности, необходимость в L-члене для внутренне непротиворечивого описания современной Вселенной, казалось бы, отпала. И вот теперь вопрос снова оказался на повестке дня.
Красное смещение - эффект Доплера, который состоит в том, что частота видимого света (и вообще принимаемых электромагнитных волн) зависит от относительной скорости излучателя и приемника: чем быстрее они удаляются друг от друга, тем она меньше. В горячей Вселенной относительные скорости всех тел (на космологических расстояниях) тем больше, чем дальше они одно от другого. В результате оказывается, что принимаемая нами частота уменьшается (по сравнению с частотой неподвижного источника) во столько же раз, во сколько раз масштабы Вселенной в момент излучения были меньше, чем сейчас. Этот фактор принято записывать в виде (1 + z ), потому что тогда z - это красное смещение, относительное удлинение электромагнит ной волны.
Масса покоя (она же и энергия покоя в системе единиц, где скорость света c = 1) - это масса (энергия) неподвижного тела; полная (релятивистская) масса (энергия) равна массе покоя + кинетическая энергия тела.
Данная статья была написана Владимиром Горунович для данного сайта и сайта "Викизнание", помещена на этот сайт с целью защиты информации, затем скорректирована.
Тёмная энергия
(англ. dark energy) - гипотетическая форма энергии, существование которой предполагается некоторыми космологическими моделями (Ускоренного расширения Вселенной).
В рамках данных моделей существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:
- тёмная энергия есть космологическая константа - неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);
- тёмная энергия есть некая квинтэссенция - динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
Предполагается, что тёмная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.
1 Темная энергия и космологические модели
2 Темная энергия и "расширение Вселенной"
3 Темная энергия и фундаментальные взаимодействия
4 Темная энергия и закон сохранения энергии
5 Темная энергия и полевая теория
6 Темная энергия - итог
1. Темная энергия и космологические модели
Вывод о наличии ускорения в предполагаемом (гипотезой Большого взрыва) расширении Вселенной был сделан на основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звезд. Затем к обоснованию добавили: так называемое реликтовое излучение, гравитационное линзирование, нуклеосинтез гипотетического Большого Взрыва. Полученные данные согласуются с лямбда-CDM моделью.
В астрономии расстояния, не поддающиеся прямому измерению (расстояния до других галактик) определяются с помощью закона Хаббла и красного смещения. Но закон Хаббла требует введение параметра Хаббла равного отношению некоторого известного расстояния к величине красного смещения. В астрономии расстояния до сверхновой звезды типа Ia можно определить по ее светимости методом “стандартной свечи”, используя то, что все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.
В конце 1990-х годов для удалённых галактик имеющих сверхновые типа Ia, было установлено, что сверхновые имеют яркость ниже той, которая им полагается исходя из величины расстояния определенного по закону Хаббла. Получилось, что расстояние до этих галактик, вычисленное по методу "стандартных свеч" (для сверхновых Ia), оказалось больше расстояния, вычисленного по закону Хаббла на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Из чего был сделан вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. На основании этих наблюдений, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением, названного "тёмной энергией".
Но можно сделать еще один вывод: закон Хаббла не работает или не точен , и не вводить гипотетического ускорения вымышленного расширения Вселенной. Что касается срока начала ускоренного расширения Вселенной (приблизительно 5 миллиардов лет назад) то он имеет такое же отношение к действительности, как и предполагаемый гипотезой Большого взрыва, возраст Вселенной (13,75 миллиардов лет).
Космологи не пожелали разбираться со своими ошибками и переложили все на физику. Конечно, физика разберется и с этой сказкой, но с физики достаточно и других математических сказок ожидающих разбирательства.
2. Темная энергия и "расширение Вселенной"
Наличие расширения Вселенной экспериментально не доказано
. Никто не измерял расстояния до удаленных галактик и не показал, что оно увеличивается с течением времени. Красное смещение в спектрах отдаленных галактик можно объяснить, не прибегая к эффекту Доплера и гипотезе "Большого взрыва".
А раз не доказан сам факт расширения Вселенной - то нельзя говорить и об ускорении несуществующего расширения Вселенной
. Следовательно, космологические модели "Ускоренного расширения Вселенной" - это всего лишь бездоказательные гипотезы и вытекающее из них существование темной энергии - всего лишь предположение математических моделей, верность которых в физике не доказана и вызывает обоснованные сомнения.
Кроме того, гипотеза "Большого взрыва" сегодня отвергается физикой:
- гипотеза Большого взрыва игнорирует часть законов природы и поэтому она не может рассматриваться как теория,
- гипотеза Большого взрыва вводит не существующие в природе формы энергии, вещества и элементарные частицы,
- гипотеза Большого взрыва не учитывает реальных свойств элементарных частиц,
- гипотеза Большого взрыва манипулирует с физическими силами
3. Темная энергия и фундаментальные взаимодействия
Экспериментально установлено наличие в природе следующих двух типов фундаментальных взаимодействий:
- электромагнитных взаимодействий,
- гравитационных взаимодействий.
- электромагнитная энергия,
- гравитационная энергия.
Таким образом темная энергия, как некоторый обособленный вид энергии, противоречит существующим в природе фундаментальным взаимодействиям .
4. Темная энергия и закон сохранения энергии
Энергия не может возникать из ничего - т.е. из вакуума, создаваться ничем и исчезать в никуда. Закон сохранения энергии - это фундаментальный закон природы. Все известные науке формы энергии подчиняются этому закону. Если темная энергия действительно существует в природе, она также должна подчиняться закону сохранения энергии. Введение для темной энергии своего собственного закона природы выходит за пределы физики - физика изучает только природу и ее законы, а мир сказок это не физика.
Следовательно, в природе должны иметь место процессы преобразования "темной" энергии в иные виды энергии, а также обратные преобразования. Все с чем физике удавалось столкнуться до сих пор это похожие на такие процессы реакции с участием нейтрино в микромире. Поскольку нейтрино крайне слабо взаимодействует с другими элементарными частицами и в более чем 99% случаев проходит незамеченной через датчики то создается иллюзия пропадания энергии (при испускании нейтрино, например при распаде нейтрона) и аналогично иллюзия появления энергии из ничего (при реакции поглощения нейтрино). Физика научилась распознавать эти события и установила, что закон сохранения энергии работает и здесь. Иных "потерь" и "появлений" энергии физикой не установлено.
Таким образом, если темная энергия действительно существует в природе, она должна подчиняться закону сохранения энергии и в природе должны наблюдаться скачкообразные потери и появления известных форм энергии. Из отсутствия в природе последнего следует, что темная энергия как отдельная форма энергии в природе не существует. В природе могут наблюдаться процессы со слабо взаимодействующими элементарными частицами (например, нейтрино и их возбужденными состояниями) создающими иллюзию таких событий. Но это будет известная форма энергии.
Ну а если какая либо модель игнорирует законы природы - то это говорит о том, что перед нами математическая сказка .
5. Темная энергия и полевая теория
Согласно полевой теории элементарных частиц любая форма энергии в природе должна состоять из существующих в природе элементарных частиц или создаваться ими. Данная форма энергии может переноситься элементарными частицами в реальном состоянии в соответствии с законами природы, в том числе и законом сохранения энергии. Ну а поскольку все элементарные частицы состоят из электромагнитного поля - то эта форма энергии будет электромагнитной формой энергии (или ее производной - формой, вытекающей из электромагнитной энергии или создаваемой электромагнитной энергией).
Таким образом, темная энергия либо не существует в природе либо сводиться к электромагнитной (или гравитационной) форме энергии - это могут быть энергии нейтрино, в гигантских количествах испускаемые звездами (см. статью Красное смещение и Загадка солнечных нейтрино).
6. Темная энергия - итог
Темная энергия как отдельная форма энергии:
- противоречит существующим в природе фундаментальным взаимодействиям,
- не наблюдается при преобразованиях энергии разных форм,
- не имеет за собой никаких реально существующих в природе полей.
Следовательно, темная энергия как отдельная форма энергии не может существовать в природе. В природе существуют "невидимые" формы электромагнитной энергии - это энергия, переносимая нейтрино, в гигантских количествах испускаемых звездами . Но для того чтобы заполнить Вселенную нейтрино 13,75 миллиарда лет явно недостаточно, а вообще, лучше распрощаться со сказочкой о большом взрыве - противоречащей законам природы.
Владимир Горунович
Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.
Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.
Откуда появилась концепция тёмной материи?
Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.
Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.
Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.
Какая она - тёмная материя?
Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.
Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.
На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.
Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.
(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )
Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.
Теории существования тёмной материи
Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:
- Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
- Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
- Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.
Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?
Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.
Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.
В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.
Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.
Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.
В научной литературе термин «темная энергия» появился в конце прошлого века для обозначения физической среды, заполняющей всю
Вселенную. В отличие от различных видов вещества и излучения, от которых можно (хотя бы теоретически) полностью очистить или экранировать некоторый объем,
темная энергия в современной Вселенной неразрывно связана с каждым кубическим сантиметром пространства. С некоторой натяжкой можно сказать, что само
пространство обладает массой и участвует в гравитационном взаимодействии. (Напомним, что согласно известной формуле E = mc 2 энергия эквивалентна массе.)
Первое слово в термине «темная энергия» указывает на то, что эта форма материи не испускает и не поглощает никакого
электромагнитного излучения, в частности света. С обычным веществом она взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту
среду структурированной, то есть состоящей из частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе гравитационного скучивания, ведущего к
образованию галактик и их скоплений. Иными словами, плотность темной энергии, в отличие от обычного и темного вещества, одинакова во всех точках
пространства.
Во избежание путаницы сразу отметим, что мы исходим из материалистического представления об окружающем нас мире, а значит, все,
что заполняет Вселенную, - это материя. Если материя структурирована, ее называют веществом, а если нет, как, например, поле, то - энергией. Вещество, в
свою очередь, делят на обычное и темное, ориентируясь на то, взаимодействует ли оно с электромагнитным излучением. Правда, по сложившейся в космологии
традиции темное вещество принято называть «темной материей». Энергия тоже делится на два типа. Один из них - это как раз излучение, еще одна субстанция,
наполняющая Вселенную. Когда-то именно излучение определяло эволюцию нашего мира, но сейчас его роль упала почти до абсолютного нуля, точнее до 3 градусов
Кельвина - температуры так называемого реликтового микроволнового излучения, идущего в космосе со всех сторон. Это остаток (реликт) горячей молодости нашей
Вселенной. А вот о другом типе энергии, который не взаимодействует ни с веществом, ни с излучением и проявляет себя исключительно гравитационно, мы бы могли
никогда не узнать, если бы не исследования в области космологии.
С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не менее
достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц,
например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.
Вопрос о природе темной энергии еще туманнее. Поэтому, как часто бывает в науке, отвечать на него лучше, описывая предысторию вопроса. Она начинается в
памятном для нашей страны 1917 году, когда создатель общей теории относительности Альберт Эйнштейн, публикуя решение задачи об эволюции Вселенной, ввел в
научный оборот понятие космологической постоянной. В своих уравнениях, описывающих свойства гравитации, он обозначил ее греческой буквой «лямбда». Так
она получила свое второе название - лямбда-член. Назначение космологической постоянной состояло в том, чтобы сделать Вселенную стационарной, то есть
неизменной и вечной. Без лямбда-члена уравнения общей теории относительности предсказывали, что Вселенная должна быть неустойчивой, как воздушный шарик, из
которого вдруг исчез весь воздух. Всерьез изучать такую неустойчивую Вселенную Эйнштейн не стал, а ограничился тем, что восстановил равновесие введением
космологической постоянной.
Однако позднее, в 1922-1924 годах, наш выдающийся соотечественник Александр Фридман показал, что в судьбе Вселенной космологическая постоянная не может
играть роль «стабилизатора», и рискнул рассмотреть неустойчивые модели Вселенной. В результате ему удалось найти еще не известные к тому времени
нестационарные решения уравнений Эйнштейна, в которых Вселенная как целое сжималась или расширялась.
В те годы космология была сугубо умозрительной наукой, пытавшейся чисто теоретически применить физические уравнения ко Вселенной как целому. Поэтому
решения Фридмана поначалу были восприняты - в том числе и самим Эйнштейном - как математическое упражнение. Вспомнили о нем после открытия разбегания
галактик в 1929 году. Фридмановские решения прекрасно подошли для описания наблюдений и стали важнейшей и широко используемой космологической моделью.
А Эйнштейн позднее назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной ошибкой».
Далекие сверхновые
Постепенно наблюдательная база космологии становилась все более мощной, а исследователи учились не только задавать вопросы природе, но и получать на них ответы. И вместе с новыми результатами росло и число аргументов в пользу реального существования «самой большой научной ошибки» Эйнштейна. В полный голос об этом заговорили в 1998 году после наблюдения далеких сверхновых звезд, которые указывали, что расширение Вселенной ускоряется. Это означало, что во Вселенной действует некая расталкивающая сила, а значит, и соответствующая ей энергия, похожая по своим проявлениям на эффект от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна. По сути, лямбда-член представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии.
Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение подчиняется закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга, причем скорость, определяемая по красному смещению в спектрах галактик, прямо пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени закон Хаббла был непосредственно проверен лишь на относительно небольших расстояниях - тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как расширялась Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно было судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой проверкой закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX века, когда появился способ определять расстояния до далеких галактик по вспыхивающим в них сверхновым звездам.
Вспышка сверхновой - это момент в жизни массивной звезды, когда она испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia. Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель, в частности подходящую величину лямбда-члена (плотности темной энергии).
Однако несмотря на простоту и ясность этого метода, он сталкивается с рядом серьезных трудностей. Прежде всего отсутствие детальной теории взрыва cверхновых типа Ia делает зыбким их статус стандартной свечи. На характер взрыва, а значит, и на светимость сверхновой могут влиять скорость вращения белого карлика, химический состав его ядра, количество водорода и гелия, перетекшего на него с соседней звезды. Как все это сказывается на кривых блеска, пока достоверно неизвестно. Наконец, сверхновые вспыхивают не в пустом пространстве, а в галактиках, и свет вспышки может, к примеру, оказаться ослаблен случайным газопылевым облаком, встретившимся на пути к Земле. Все это ставит под сомнение возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. И если бы в пользу существования темной энергии был только этот довод, данная статья вряд ли была бы написана. Так что хотя «аргумент сверхновых» спровоцировал широкую дискуссию о темной энергии (и даже появление самого этого термина), уверенность космологов в ее существовании опирается на другие, более убедительные аргументы. К сожалению, они не столь просты, и поэтому описать их можно лишь в самых общих чертах.
| КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕН |
|
По современным представлениям, рождение Вселенной должно описываться в терминах еще не созданной квантовой теории гравитации. Понятие «возраст Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше 10-43 секунд. На меньших масштабах уже нельзя говорить о привычном нам линейном течении времени. Топологические свойства пространства тоже становятся нестабильными. По-видимому, в малых масштабах пространство-время заполнено микроскопическими «кротовыми норами» - своего рода тоннелями, соединяющими разнесенные области Вселенной. Впрочем, о расстояниях или порядке следования событий говорить тоже невозможно. В научной литературе такое состояние пространства-времени с флуктуирующей топологией называют квантовой пеной. По неизвестным пока причинам, возможно, из-за квантовой флуктуации, в пространстве Вселенной возникает физическое поле, которое в возрасте около 10-35 секунд заставляет Вселенную расширяться с колоссальным ускорением. Этот процесс называют инфляцией, а вызывающее его поле - инфлатоном. В отличие от экономики, где инфляция является неизбежным злом, с которым нужно бороться, в космологии инфляция, то есть экспоненциально быстрое увеличение Вселенной, - это благо. Именно ей мы обязаны тем, что Вселенная обрела большой размер и плоскую геометрию. В конце этой короткой эпохи ускоренного расширения запасенная в инфлатоне энергия порождает известную нам материю: разогретую до огромной температуры смесь излучения и массивных частиц, а также едва заметную на их фоне темную энергию. Можно сказать, что это и есть Большой взрыв. Космологи говорят об этом моменте, как о начале радиационно-доминированной эпохи в эволюции Вселенной, поскольку большая часть энергии в это время приходится на излучение. Однако расширение Вселенной продолжается (хотя теперь уже и без ускорения) и оно по-разному отражается на основных типах материи. Ничтожная плотность темной энергии со временем не меняется, плотность вещества падает обратно пропорционально объему Вселенной, а плотность излучения снижается еще быстрее. В итоге спустя 300 тысяч лет доминирующей формой материи во Вселенной становится вещество, большую часть которого составляет темная материя. С этого момента рост возмущений плотности вещества, едва тлевший на стадии доминирования излучения, становится достаточно быстрым, чтобы привести к образованию галактик, звезд и столь необходимых человечеству планет. Движущей силой этого процесса является гравитационная неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. Едва заметные неоднородности оставались еще с момента распада инфлатона, но пока во Вселенной доминировало излучение, оно мешало развитию неустойчивости.
Теперь основную роль начинает играть темная материя. Под действием собственной гравитации области повышенной плотности останавливаются в своем расширении и начинают сжиматься, в результате чего из темной материи образуются гравитационносвязанные системы, называемые гало. В гравитационном поле Вселенной образуются «ямы», в которые устремляется обычное вещество. Накапливаясь внутри гало, оно формирует галактики и их скопления. Этот процесс образования структур начался более 10 миллиардов лет назад и шел по нарастающей, пока не наступил последний перелом в эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет (это примерно половина нынешнего возраста Вселенной) плотность вещества, которая продолжала снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности темной энергии. Тем самым завершилась эпоха доминирования вещества, и теперь темная энергия контролирует эволюцию Вселенной. Какова бы ни была ее физическая природа, проявляется она в том, что космологическое расширение вновь, как в эпоху инфляции, начинает ускоряться, только на этот раз очень медленно. Но даже этого достаточно, чтобы затормозить формирование структур, а в будущем оно должно вовсе прекратиться: любые недостаточно плотные образования будут рассеиваться ускоряющимся расширением Вселенной. Временное «окно», в котором работает гравитационная неустойчивость и возникают галактики, захлопнется уже через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от природы темной энергии. Если это космологическая постоянная, то ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же темная энергия - это сверхслабое скалярное поле, то после того как оно достигнет состояния равновесия, расширение Вселенной станет замедляться, а возможно сменится сжатием. Пока физическая природа темной энергии неизвестна, все это не более чем умозрительные гипотезы. Таким образом, с определенностью сказать можно только одно: ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться еще несколько десятков миллиардов лет. За это время наш космический дом - галактика Млечный Путь - сольется со своей соседкой - Туманностью Андромеды (и большинством галактик-спутников меньшей массы, входящих в состав Местной Группы). Все прочие галактики улетят на большие расстояния, так что многие из них нельзя будет увидеть даже в самый мощный телескоп. Что касается реликтового излучения, которое приносит нам так много важнейшей информации о структуре Вселенной, то его температура упадет почти до нуля, и этот источник информации будет потерян. Человечество останется Робинзоном на острове с эфемерной перспективой обзавестись хотя бы Пятницей. |
| КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕН |
Крупномасштабная структура Вселенной
У космологов имеются два основных источника знаний о крупномасштабной структуре Вселенной. Прежде всего это распределение в окружающем нас пространстве светящейся материи, то есть галактик. Трехмерная карта показывает, в какие структуры - группы, скопления, сверхскопления - объединяются галактики и каковы характерные размеры, формы и численность этих образований. Тем самым становится понятно, как распределено вещество в современной Вселенной.
Другим источником информации служит распределение интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. Карта неба в микроволновом диапазоне несет информацию о распределении неоднородностей плотности в ранней Вселенной, когда ее возраст составлял около 300 тысяч лет - именно тогда вещество стало прозрачным для излучения. Угловые расстояния между пятнами на микроволновой карте говорят о размерах неоднородностей в то время, а перепады яркости (они, кстати, очень маленькие, порядка сотой доли процента) указывают на степень уплотнения зародышей будущих скоплений галактик. Тем самым у нас есть как бы два временных среза: структура Вселенной в моменты через 300 тысяч и 14 миллиардов лет после Большого взрыва.
Теория говорит о том, что характеристики наблюдаемых структур сильно зависят от того, какая часть материи во Вселенной приходится на вещество (обычное и
темное). Расчеты, основанные на наблюдательных данных, показывают, что его доля составляет сегодня около 30% (из которых лишь 5% приходится на обычное
вещество, состоящее из атомов). А значит, остальные 70% - это материя, не входящая ни в какие структуры, то есть темная энергия. Этот аргумент не столь
прозрачен, поскольку за ним стоят сложные расчеты, описывающие образования структур во Вселенной. Тем не менее он действительно более сильный. Это можно
проиллюстрировать такой аналогией. Представьте, что внеземная цивилизация стремится обнаружить разумную жизнь на Земле. Одна группа исследователей заметила
идущее от нашей планеты мощное радиоизлучение, которое периодически изменяет частоту и интенсивность, и объясняет это работой электронного оборудования.
Другая группа послала к Земле зонд и сфотографировала квадраты полей, линии дорог, узлы городов. Первый аргумент, конечно, проще, но второй - убедительнее.
Продолжая эту аналогию, можно сказать, что еще более наглядным свидетельством разумной жизни стало бы наблюдение за формированием перечисленных структур.
Конечно, человеку пока не под силу в реальном времени наблюдать, как формируются скопления галактик. Тем не менее можно определить, как менялось их число
по ходу эволюции Вселенной. Дело в том, что в силу конечности скорости света наблюдение объектов на больших расстояниях эквивалентно заглядыванию в
прошлое.
Темп образования галактик и их скоплений определяется скоростью роста возмущений плотности, которая, в свою очередь, зависит от параметров космологической
модели, в частности от соотношения вещества и темной энергии. Во Вселенной с большой долей темной энергии возмущения растут медленно, а значит, сегодня
скоплений галактик должно быть ненамного больше, чем в прошлом, и с расстоянием их число будет убывать медленно. Напротив, во Вселенной без темной энергии
количество скоплений довольно быстро сокращается с углублением в прошлое. Выяснив из наблюдений темп появления новых скоплений галактик, можно получить
независимую оценку плотности темной энергии.
Есть и другие независимые наблюдательные аргументы, подтверждающие существование однородной среды, которая оказывает определяющее влияние на строение и
эволюцию Вселенной. Можно сказать, что утверждение о существовании темной энергии стало итогом развития всей наблюдательной космологии ХХ века.
Вакуум и другие модели
Если в существовании темной энергии большинство космологов уже не сомневаются, то вот относительно ее природы ясности пока нет. Впрочем, физики не первый раз попадают в такое положение. Многие новые теории начинаются с феноменологии, то есть формального математического описания того или иного эффекта, а интуитивно понятные объяснения появляются намного позже. На сегодня, описывая физические свойства темной энергии, космологи произносят слова, которые для непосвященного больше похожи на заклинание: это среда, давление которой равно плотности энергии по величине, но противоположно по знаку. Если это странное соотношение подставить в уравнение Эйнштейна из общей теории относительности, то окажется, что такая среда гравитационно отталкивается от самой себя и, как следствие, ускоренно расширяется и ни за что не соберется ни в какие сгустки.
Нельзя сказать, что мы часто имеем дело с подобной материей. Однако именно так уже на протяжении многих лет физики описывают вакуум. По современным представлениям, элементарные частицы существуют не в пустом пространстве, а в особой среде - физическом вакууме, который как раз и определяет их свойства. Эта среда может находиться в различных состояниях, отличающихся плотностью запасенной энергии, и в разных видах вакуума элементарные частицы ведут себя по-разному.
Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено существование неустойчивого, более энергичного вакуума, который соответствует так называемому электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при энергиях частиц свыше 100 гигаэлектронвольт - это всего на порядок ниже предела возможностей современных ускорителей. Еще более энергичные виды вакуума предсказаны теоретически. Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не нулевой плотностью энергии, а как раз такой, которая дает нужное значение лямбда-члена в уравнении Эйнштейна.
|
Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство - отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих
гравитационных сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об антигравитации. В этом утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их
последовательно.
Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как известно, связано с движением молекул. Ударясь о стенку сосуда, молекулы газа передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии. Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по крайней мере, замедлять свое расширение, начавшееся в момент Большого взрыва. Но все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии слишком... велико. Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает притяжение и ее собственной массы, и массы всего остального вещества. Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое, стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются его разрушением? Таковы свойства людей - они сопротивляются подавлению. Почему сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия - это не объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии. |
| Отрицательное давление и гравитационное отталкивание |
Однако эта красивая идея, состоящая в том, чтобы приписать темную энергию вакууму, не вызывает восторга у исследователей, работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что такой разновидности вакуума должна соответствовать энергия частиц всего около тысячной доли электронвольта. Но этот энергетический диапазон, лежащий на границе между инфракрасным и радиоизлучением, уже давно вдоль и поперек изучен физиками, и ничего аномального там не обнаружено.
Поэтому исследователи склоняются к тому, что темная энергия - это проявление нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля. Эта идея аналогична той, что лежит в основе современной инфляционной космологии. Там тоже сверхбыстрое расширение молодой Вселенной происходит под действием так называемого скалярного поля, только его плотность энергии гораздо выше той, что ответственна за нынешнее неспешное ускорение в расширении Вселенной. Можно предположить, что поле, являющееся носителем темной энергии, осталось как реликт Большого взрыва и долгое время находилось в состоянии «спячки», пока длилось доминирование сначала излучения, а потом темной материи.
Как взвесить структуру?
Темная энергия - важнейшее свидетельство существования явлений, которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств - важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.
Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати, поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься, постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать» взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он будет только уменьшаться.
Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно научиться «взвешивать» структуру Вселенной - галактики и их скопления -
на разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты измерения - галактики - хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях.
Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения
галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется
ее гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик деформируются. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Измеряя
возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее
запланированы космические эксперименты - ведь надо достичь максимальной точности измерения.
Итак, мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо факта ее
существования, - это уравнение состояния вакуумоподобного типа, та самая своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока нам неизвестно,
меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то как. А значит, все рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются спекулятивными,
основанными в значительной мере на эстетических воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру точной космологии, основанной на высокотехнологичных
инструментах для наблюдения и развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет и дальше развиваться такими же темпами, как
сегодня, загадка темной энергии будет разгадана уже нынешним поколением исследователей.
Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.
Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?
В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.
Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.
Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.
Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17
Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.
Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.
Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.
Невидимая темная материя и темная энергия
Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия - это нечто реальное?
Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.
Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.
Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.
Темная материя
Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:
Если говорить о материи, то темная безусловно лидирует по процентному соотношению. Но в целом она занимает лишь четверть всего. Вселенная же изобилует темной энергией .
С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. Исследователи полагали, что в итоге начальная энергия закончится и она замедлит свой ход. Но далекие сверхновые демонстрируют, что пространство не останавливается, а набирает скорость. Все это возможно только в том случае, если количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.
Темная материя и темная энергия: разъяснения загадки
Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.
Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.
Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.
На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении
Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.
Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.
Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.
Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.
Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:
- Большой адронный коллайдер.
- инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
- эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
- косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.
Методы поиска темной материи
Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:
Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии
Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.
Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.
Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).
Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.
Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.
Расширяющаяся Вселенная и темная энергия
Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.
Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.
