Эта загадочная темная энергия

Конец ХХ века ознаменован открытием новой физической сущности — темной энергии, «распирающей» пространство между галактиками и порождающей ускоренное расширение Вселенной. Ее природа — неизвестна. Над ее разгадкой работают коллективы ученых разных стран мира, формируются программы исследований, строятся новые телескопы...

Открытие

То, что галактики отдаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию, известно давно. Впервые это явление обнаружил американский астрофизик Эдвин Габбл еще в 1929 году. Следует сказать, что это открытие не было полнейшей неожиданностью — за семь лет до этого его предусмотрел российский математик Александр Фридман, применив уравнения общей теории относительности Эйнштейна для описания однородной изотропной Вселенной (что она действительно является такой в крупных масштабах, подтверждено многочисленными наблюдениями позднее). Из его теоретических работ и экспериментов Габбла вытекало, что «разбегание» галактик является результатом Большого взрыва, который, по расчетам ученых, произошел 14 миллиардов лет назад. Здесь следует вспомнить и фундаментальное предвидение Георгия Гамова, выходца из Украины, в 1948 году выдвинувшего идею горячей ранней Вселенной, следствием которого является вездесущее реликтовое микроволновое излучение. Экспериментально оно было выявлено в 1965 году американцами Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном, за что их удостоили Нобелевской премии. Работы Фридмана, Габбла и Гамова стали основой целого направления современной астрофизики — физической космологии.

Но поскольку для обычного вещества действует закон всемирного тяготения (гравитация), то такое расширение должно происходить с замедлением: кинетическая энергия разлетания галактик расходуется на «преодоление» сил гравитации (аналогично камню, подброшенному вертикально вверх). Попытки определить это замедление в течение многих лет были неудачными. Его значение дало бы возможность установить среднюю плотность материи, заполняющей Вселенную. Проблема состояла главным образом в том, что для этого необходимо наблюдать очень далекие галактики, блеск которых слишком мал, поэтому выделить в них отдельные источники излучения — звезды, их скопление, газовые туманности и т. п. — невозможно даже с помощью самых мощных наземных телескопов. Кроме того, свет от них идет к нам несколько миллиардов лет, из-за чего мы видим их значительно моложе наших и соседних галактик, а следовательно, источники излучения в них отличаются по своей лучеиспускательной способности. То есть к ним нельзя применить методы определения расстояния, применяемые астрофизиками к близким галактикам.

Ситуация изменилась с выводом на околоземную орбиту космического телескопа им. Габбла с диаметром главного зеркала
~2,4 м. Одна из главнейших задач, ради которой создавался этот самый дорогой в мире телескоп, — исследование далеких галактик с целью уточнения закона Габбла и определения ускорения расширения Вселенной. Результаты исследований, проводимых в течение почти десяти лет двумя научными группами («Сотрудничество по далеким сверхновым» и «Космологический проект по сверхновым»), были опубликованы практически одновременно в 1998 году. Уже из названий научных групп видно, что объектами исследований были сверхновые звезды в далеких галактиках. Сверхновыми называют звезды, которые взрываются и какое-то время светят как миллиарды звезд, таким образом, их можно наблюдать в далеких галактиках. Эти события чрезвычайно редки — приблизительно одна вспышка за 30 лет на галактику. Среди них есть особый тип — сверхновые Іа, являющиеся стандартными источниками свечения. Мощные источники излучения с известным свечением чрезвычайно ценны для астрономии — они дают возможность по вымеренному потоку энергии на Земле определять расстояние до них, а следовательно, и до далеких галактик, в которых они находятся. С помощью космического телескопа имени Габбла, а также наземных телескопов в далеких галактиках на это время обнаружили и детально исследовали немного более полутора сотни сверхновых звезд этого типа. По установленным расстояниям до них и вымеренными смещениями линий в их спектрах удалось определить изменение темпа расширения Вселенной. Результаты оказались удивительными: вместо ожидаемого замедления взаимным гравитационным притяжением они разбегаются с ускорением — скорость отдаления галактик со временем увеличивается! Стало ли это открытие полнейшей неожиданностью для теоретиков?

Гипотезы

Следует признать, что нет. Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности, полученные им в 1916-м, постоянную величину, проявляющую себя как сила отталкивания, пропорциональная расстоянию, которое уравновешивало гравитационное притяжение обычной материи в космологических масштабах. Ее назвали космологической постоянной. Введением этой постоянной Эйнштейн стремился получить стационарную модель однородной изотропной Вселенной. Свойства мира с космологической постоянной, но без материи детально проанализировал де Ситтер в том же 1917 году (модель мира де Ситтера). Александр Фридман в 1922 году доказал, что даже с космологической постоянной общее решение уравнений Эйнштейна является нестационарным. Эйнштейн согласился с аргументами Фридмана и со временем отказался от космологической постоянной, сказав, что ее введение было наибольшим промахом в его жизни. Но космологическая постоянная продолжала «жить», и астрофизики не раз обращались к ней, чтобы решить проблемы, возникающие при интерпретации данных наблюдательной космологии, и отвергали, когда находили более приемлемые объяснения. В начале 80-х модель де Ситтера дала возможность решить клубок проблем, возникший при развитии теории ранней Вселенной в рамках моделей Фридмана. Синтез свойств мира де Ситтера и квантовой теории поля породил квантовую космологию и инфляционную модель ранней Вселенной — кратковременную стадию быстрого ускоренного расширения, элегантно развязавшая все эти проблемы. И, наконец, космологическая постоянная полностью объясняет ускоренное расширение Вселенной, которое обнаружили по сверхновым звездам. Похоже на то, что «промах» Эйнштейна является в действительности гениальной догадкой, экспериментально подтвержденной через 81 год! Но попытки постичь физическую сущность космологической постоянной породили ряд вопросов, ответы на которые могут быть тем Розетским камнем, который даст возможность построить теорию единых взаимодействий и происхождения Вселенной.

Какой же это вопрос? Космологическая постоянная не изменяется во времени — ее значение сегодня такое же, как и в момент Большого взрыва. Но если сегодня плотность темной энергии приблизительно втрое больше плотности материи, то в начале Большого взрыва она была на 120 порядков (!) меньше. То есть в раннюю эпоху эволюции Вселенной, когда формировались физические взаимодействия, его плотность энергии составляла 0.000......1 (120 нулей перед единицей) от плотности энергии других физических полей. Это очень небольшая величина, практически ноль. Но если бы перед единицей было 115 или 100 нулей, это привело бы к роковым последствиям — Вселенная начала бы ускоренно расширяться еще до того, как образовались галактики, звезды, планеты и жизнь на них. Возрастающий темп разлетания не дал бы им сформироваться. В такой Вселенной ничего бы не было, и нас с вами, дорогой читатель. Поэтому возникает проблема объяснения такого точного значения самой космологической постоянной в ранней Вселенной. Вероятность ее случайного совпадения практически равна нулю, а иного удовлетворительного объяснения у физиков пока нет. С другой стороны, если интерпретировать космологическую постоянную как свойство вакуума (энергия его основного состояния), то появляются расхождения с квантовой электродинамикой, являющейся сегодня едва ли не самым точным экспериментально проверенным разделом физики. Все это вынуждает физиков и астрофизиков искать альтернативу космологической постоянной.

Такой альтернативой является темная энергия (иногда ее называют квинтэссенцией — пятой сущностью), которая наподобие космологической постоянной обусловливает ее ускоренное расширение. Это — новый тип физического поля, однородно заполняющий нашу Вселенную и распирающий пространство. Сегодня его плотность энергии больше средней плотности энергии всех других полей и частиц. Поле создает большое отрицательное давление, которое и вызывает наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной в космологических масштабах (сила отталкивания пропорциональна расстоянию между галактиками). В прошлом его плотность энергии могла быть близкой к плотности энергии других физических полей или исчезать полностью в зависимости от модели такого поля. Установить его природу — сегодня едва ли не самая увлекательная задача физики и астрономии.

Есть ли другие доказательства существования темной энергии?

Это открытие получило независимое подтверждение в нескольких экспериментах по исследованию реликтового излучения. Наиболее убедительные данные получены в космическом эксперименте WMAP в 2003 и 2007 гг. На их основе построена детальная карта неба пространственных неоднородностей температуры и плотности вещества в раннюю эпоху эволюции Вселенной. Сопоставление ее с пространственным распределением галактик в современную эпоху указывает на то, что плотность темной энергии больше суммарной плотности энергии всех других составляющих Вселенной. Опубликованные в этом году результаты непрерывных трехлетних измерений пространственных вариаций температуры реликтового излучения телескопом WMAP стали наиболее обоснованным доказательством существования темной энергии. Они дают самые точные определения ее плотности и параметра уравнения состояния.

Есть и другие видимые аргументы в ее пользу. Если их все сложить как частички мозаики в одно целое, то получим такое распределение составляющих нашей Вселенной: темная энергия — 74%, темная материя — 22%, барионное вещество — 4%.

Барионное вещество — это все химические элементы, входящие в состав звезд, планет, галактик и рассеянные в межзвездном и межгалактическом пространстве. Одно из его важнейших свойств — участие в электромагнитном взаимодействии: оно поглощает, излучает и рассеивает электромагнитное излучение. Благодаря именно этому свойству наш мир так богат многообразием проявлений живой и неживой природы на Земле и в Космосе. Вся практическая деятельность человечества и астрофизические исследования до этого времени сталкивались только с барионным веществом, которое наподобие надводной части айсберга составляет всего несколько процентов от всего «имущества» Вселенной. Основная его часть (96 процентов) пока скрыта от непосредственного «созерцания» физическими приборами, несмотря на то что они в нем находятся. Темная энергия и темная материя пронизывают нас, не причиняя вреда ни единому атому нашего тела.

О темной материи кое-что уже можно сказать. Своим гравитационным полем она удерживает галактики в скоплениях и звезды в галактиках от распада. Темная материя не излучает, не поглощает и не рассеивает электромагнитное излучение. У ее частиц малые тепловые скорости (холодная темная материя), участвуют только в гравитационном взаимодействии и, возможно, слабой, как нейтрино (см. статью в «ЗН», №50, 2006 г.). Неоднородности темной материи своим гравитационным полем стягивали на себя барионное вещество, в сгустках которого сформировались звезды, галактики, скопления галактик. Какие частицы являются носителями темной материи, пока неизвестно. Теория элементарных частиц предлагает целый «зоопарк» гипотетических частиц — кандидатов в темную материю. Необходимы ключевые эксперименты и астрофизические тесты для их отбора. Над этим сегодня активно работают физики и астрофизики всего мира.

С темной энергией, доминирующей по плотности, ситуация сложнее. Она проявляет себя только на космологических расстояниях противоположным знаком гравитационного действия. Это действительно новая сущность, не похожая на все то, с чем сталкивались до этого времени физики и астрономы в царстве звезд и галактик.

Перспективы

Исследования природы темной энергии в наше время развиваются чрезвычайно бурно. Научные фонды Европы и Америки финансируют эти исследования в качестве наиболее приоритетных, поскольку их результаты важны для теории эволюции звезд, галактик и Вселенной как целого, так и для теории элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. В течение последующих десяти лет планируется ввести в действие несколько телескопов нового поколения, с помощью которых точность определения уравнения состояния темной энергии будет доказана до одного процента (сегодня она составляет около 20%). В Украине такие исследования проводятся небольшими научными группами в нескольких национальных классических университетах Министерства образования и науки (Одесском, Львовском, Харьковском, Днепропетровском), Киевском национальном университете им. Т. Шевченко, Национальном университете «Киево-Могилянская академия» и научных учреждениях Национальной академии наук (Главная астрономическая обсерватория, Институт теоретической физики, Институт ядерных исследований, Радиоастрономический институт, Институт прикладных проблем механики и математики). Для объединения их усилий и координации исследований в 2005 году учрежден «Межотраслевой координационный план исследований в области гравитации, релятивистской астрофизики и космологии — космомикрофизика» (председатель научного совета академик А.Загородний). В январе 2007 года на общем заседании президиума Национальной академии наук Украины и коллегии Национального космического агентства Украины по представлению академика Я.Яцкива принята к выполнению целевая программа научных исследований НАНУ «Исследование структуры и состава Вселенной, скрытой массы и темной энергии», выделены средства на ее реализацию. Руководитель этой программы — академик В.Шульга. Кроме выполнения большого круга исследований уже существующими группами, программа предусматривает подготовку и привлечение молодых ученых, издание научной, учебной и научно-популярной литературы. Таким образом, есть основания надеяться, что достижения украинских ученых в этой области не только будут цитироваться в ретро­спективных обзорах развития проблемы, но и находиться на переднем крае науки, приумножая наши знания о фундаментальнейших свойствах мира, в котором мы живем.