Ця загадкова темна енергія

Кінець ХХ століття ознаменований відкриттям нової фізичної сутності — темної енергії, яка «розпирає» простір між галактиками і спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Її природа — невідома. Над її розгадкою працюють колективи вчених різних країн світу, формуються програми досліджень, будуються нові телескопи...

Відкриття

Те, що галактики віддаляються одна від одної зі швидкістю, пропорційною відстані, — відомо давно. Уперше це явище виявив американський астрофізик Едвін Габбл ще у 1929 році. Слід сказати, що це відкриття не було цілковитою несподіванкою — за сім років до цього його передбачив російський математик Олександр Фрідман, застосувавши рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна для опису однорідного ізотропного Всесвіту (що він і справді є таким у великих масштабах — підтверджено численними спостереженнями пізніше). Із його теоретичних робіт та експериментів Габбла випливало, що «розбігання» галактик є результатом Великого вибуху, який за розрахунками вчених стався 14 мільярдів років тому. Тут слід згадати й фундаментальне передбачення Георгія Гамова, вихідця з України, який 1948 року висунув ідею гарячого раннього Всесвіту, наслідком якого є всюдисуще реліктове мікрохвильове випромінювання. Експериментально воно було виявлене у 1965 році американцями Арно Пензіасом і Робертом Вілсоном, за що їх було удостоєно Нобелівської премії. Роботи Фрідмана, Габбла і Гамова стали основою цілого напряму сучасної астрофізики — фізичної космології.

Але оскільки для звичайної речовини діє закон усесвітнього тяжіння (гравітація), то таке розширення має відбуватися із сповільненням: кінетична енергія розлітання галактик витрачається на «переборювання» сил гравітації (аналогічно до каменя, підкинутого вертикально вгору). Спроби визначити це сповільнення впродовж багатьох років були невдалими. Його значення дало б змогу встановити середню густину матерії, яка заповнює Всесвіт. Проблема полягала головним чином у тому, що для цього необхідно спостерігати дуже далекі галактики, блиск яких надто малий, тож виділити в них окремі джерела випромінювання — зорі, їх скупчення, газові туманності тощо — неможливо навіть із допомогою найпотужніших наземних телескопів. Крім того, світло від них іде до нас кілька мільярдів років, через що ми бачимо їх значно молодшими за нашу та сусідні галактики, а отже, джерела випромінювання в них відрізняються за своєю випромінювальною здатністю. Тобто до них не можна застосувати методи визначення відстані, які астрофізики застосовують до близьких галактик.

Ситуація змінилася із виведенням на навколоземну орбіту космічного телескопа ім. Габбла з діаметром головного дзеркала
~2,4 м. Одне з головних завдань, заради якого створювався цей найдорожчий у світі телескоп, — дослідження далеких галактик з метою уточнення закону Габбла та визначення прискорення розширення Всесвіту. Результати досліджень, що їх проводили впродовж майже десяти років дві наукові групи («Співпраця щодо далеких наднових» і «Космологічний проект щодо наднових»), були опубліковані практично одночасно 1998 року. Уже з назв наукових груп видно, що об’єктами досліджень були наднові зірки в далеких галактиках. Надновими називають зірки, які вибухають і деякий час світять як мільярди зірок, а отже, їх можна спостерігати в далеких галактиках. Такі події надзвичайно рідкісні — приблизно один спалах за 30 років на галактику. Серед них є особливий тип — наднові Іа, які є стандартними джерелами свічення. Потужні джерела випромінювання з відомою світністю є надзвичайно цінними для астрономії — вони дають можливість за виміряним потоком енергії на Землі визначати відстань до них, а отже, й до далеких галактик, в яких вони знаходяться. З допомогою космічного телескопа імені Габбла, а також наземних телескопів у далеких галактиках на цей час виявили й детально дослідили трохи більше ніж півтори сот­ні наднових зірок цього типу. За встановленими відстанями до них та виміряними зміщеннями ліній у їх спектрах вдалося визначити зміну темпу розширення Всесвіту. Результати виявилися разючими: замість очікуваного сповільнення взаємним гравітаційним притяганням вони розбігаються із прискоренням — швидкість віддалення галактик із часом зростає! Чи стало це відкриття цілковитою несподіванкою для теоретиків?

Гіпотези

Слід визнати, що ні. Ще в 1917 році Альберт Ейнштейн увів у рівняння загальної теорії відносності, отримані ним у 1916-му, сталу величину, яка проявляла себе як сила розштовхування, пропорційна відстані, що урівноважувала гравітаційне притягання звичайної матерії у космологічних масштабах. Її назвали космологічною сталою. Введенням цієї сталої Ейнштейн прагнув отримати стаціонарну модель однорідного ізотропного Всесвіту, яким тоді собі його уявляли. Властивості світу із космологічною сталою але без матерії детально проаналізував де Сіттер у тому ж 1917 році (модель світу де Сіттера). Олександр Фрідман у 1922 році довів, однак, що навіть із космологічною сталою загальний розв’язок рівнянь Ейнштейна є нестаціонарним. Ейнштейн погодився з аргументами Фрідмана і згодом відмовився від космологічної сталої, сказавши, що її введення було найбільшим промахом у його житті. Проте космологічна стала продовжувала «жити», і астрофізики не раз зверталися до неї, аби розв’язати проблеми, які виникали при інтерпретації даних спостережної космології, і відкидали, коли знаходили прийнятніші пояснення. На початку 80-х модель де Сіттера дала змогу розв’язати клубок проблем, що виник при розбудові теорії раннього Всесвіту в рамках моделей Фрідмана. Синтез властивостей світу де Сіттера і квантової теорії поля породив квантову космологію та інфляційну модель раннього Всесвіту — короткочасну стадію швидкого прискореного розширення, яка елегантно розв’язала всі ті проблеми. І, зрештою, космологічна стала цілком задовільно пояснює прискорене розширення Всесвіту, яке виявили за надновими зірками. Скидається на те, що «промах» Ейнштейна є насправді геніальним здогадом, який знайшов експериментальне підтвердження через 81 рік! Але намагання осягнути фізичну суть космологічної сталої породили низку запитань, відповіді на які можуть бути тим Розетським каменем, який дасть змогу побудувати теорію єдиних взаємодій та походження Всесвіту.

Що ж це за запитання? Космологічна стала є незмінною в часі — її значення сьогодні таке саме, як і в момент Великого вибуху. Але якщо сьогодні густина темної енергії приблизно втричі більша за густину матерії, то на початку Великого вибуху вона була на 120 порядків (!) менша. Тобто в ранню епоху еволюції Всесвіту, коли формувалися фізичні взаємодії, його густина енергії становила 0.000......1 (120 нулів перед одиницею) від густини енергії інших фізичних полів. Це дуже мала величина, практично нуль. Однак якби перед одиницею було 115 чи 100 нулів, то це призвело б до фатальних наслідків — Всесвіт почав би прискорено розширюватися ще до того, як утворилися галактики, зірки, планети і життя на них. Зростаючий темп розлітання не дав би їм сформуватися. У такому Всесвіті нічого б не було, і нас із вами, дорогий читачу. Тому постає проблема пояснення такого точного налаштування значення космологічної сталої в ранньому Всесвіті. Імовірність випадкового налаштування практично дорівнює нулю, а задовільного іншого пояснення фізики поки не мають. З іншого боку, якщо інтерпретувати космологічну сталу як властивість вакууму (енергія його основного стану), то з’являються розбіжності із квантовою електродинамікою, яка сьогодні є чи не найточніше експериментально перевіреним розділом фізики. Усе це спонукає фізиків і астрофізиків шукати альтернативу космологічній сталій.

Такою альтернативою є темна енергія (інколи її називають квінтесенцією — п’ятою сутністю), яка подібно до космологічної сталої зумовлює його прискорене розширення. Це — новий тип фізичного поля, яке однорідно заповнює наш Всесвіт і розпирає простір. Сьогодні його густина енергії переважає середню густину енергії всіх інших полів і частинок. Поле створює великий від’ємний тиск, що й зумовлює спостережуване прискорене розширення Всесвіту в космологічних масштабах (сила розштовхування пропорційна відстані між галактиками). У минулому його густина енергії могла бути близькою до густини енергії інших фізичних полів, або щезати цілком, залежно від моделі такого поля. Встановити його природу — на сьогодні чи не найзахопливіша задача фізики та астрономії.

Чи є інші докази існування темної енергії?

Це відкриття дістало незалежне підтвердження в кількох експериментах із дослідження реліктового випромінювання. Найбільш переконливі дані отримано в космічному експерименті WMAP у 2003 та 2007 рр. На їхній основі побудовано детальну карту неба просторових неоднорідностей температури і густини речовини в ранню епоху еволюції Всесвіту. Зіставлення її із просторовим розподілом галактик у сучасну епоху вказує на те, що густина темної енергії переважає сумарну густину енергії всіх інших складників Всесвіту. Опубліковані цього року результати неперервних трирічних вимірювань просторових варіацій температури реліктового випромінювання телескопом WMAP стали найґрунтовнішим доказом існування темної енергії. Вони дають найточніше визначення її густини та параметра рівняння стану.

Є й інші спостережувані аргументи на її користь. Якщо їх усі скласти як частинки мозаїки в одне ціле, то отримаємо такий розподіл складників нашого Всесвіту: темна енергія — 74%, темна матерія — 22%, баріонна речовина — 4%.

Баріонна речовина — це всі хімічні елементи, які входять до складу зірок, планет, галактик та розсіяні в міжзоряному та міжгалактичному просторі. Одна з її важливих властивостей — участь в електромагнітній взаємодії: вона поглинає, випромінює та розсіює електромагнітне випромінювання. Завдяки саме цій властивості наш світ такий багатий різноманіттям проявів живої та неживої природи на Землі і в Космосі. Уся практична діяльність людства та астрофізичні дослідження до цього часу мали справу тільки з баріонною речовиною, яка подібно до надводної частини айсберга становить усього кілька відсотків від усього «майна» Всесвіту. Основна його частка (96 відсотків) поки прихована від безпосереднього «споглядання» фізичними приладами —попри те, що вони в ній перебувають. Темна енергія і темна матерія пронизують нас, не завдаючи шкоди жодному атому нашого тіла.

Про темну матерію дещо вже можна сказати. Своїм гравітаційним полем вона утримує галактики в скупченнях і зірки в галактиках від розпадання. Темна матерія не випромінює, не поглинає і не розсіює електромагнітного випромінювання. Її частинки мають малі теплові швидкості (холодна темна матерія), беруть участь тільки у гравітаційній взаємодії та, можливо, слабкій, як нейтрино (див. статтю у «ДТ», №50, 2006 р.). Неоднорідності темної матерії своїм гравітаційним полем стягували на себе баріонну речовину, у згустках якої сформувалися зірки, галактики, скупчення галактик. Які частинки є носіями темної матерії, поки невідомо. Теорія елементарних частинок пропонує цілий «зоопарк» гіпотетичних частинок — кандидатів у темну матерію. Необхідні ключові експерименти та астрофізичні тести для їх відбору. Над цим сьогодні активно працюють фізики та астрофізики всього світу.

Із темною енергією, яка домінує за густиною, ситуація складніша. Вона проявляє себе тільки на космологічних відстанях протилежним знаком гравітаційної дії. Це справді нова сутність, не подібна до всього того, із чим мали справу до цього часу фізики та астрономи в царині зір і галактик.

Перспективи

Дослідження природи темної енергії у наш час розвиваються надзвичайно бурхливо. Наукові фонди Європи та Америки фінансують ці дослідження як найбільш пріоритетні, оскільки їхні результати важливі як для теорії еволюції зірок, галактик і Всесвіту як цілого, так і для теорії елементарних частинок та фундаментальних взаємодій. Упродовж наступних десяти років планується ввести в дію кілька телескопів нового покоління, з допомогою яких точність визначення рівняння стану темної енергії буде доведено до одного відсотка (сьогодні вона становить близько 20%). В Україні такі дослідження проводяться невеликими науковими групами в кількох національних класичних університетах Міністерства освіти і науки (Одеському, Львівському, Харківському, Дніпропетровському), Київському національному університеті ім.Т.Шевченка, Національному університеті «Києво-Могилянська академія» та наукових установах Національної академії наук (Головна астрономічна обсерваторія, Інститут теоретичної фізики, Інститут ядерних досліджень, Радіоастрономічний інститут, Інститут прикладних проблем механіки і математики). Для об’єднання їхніх зусиль та координації досліджень у 2005 році запроваджено «Міжгалузевий координаційний план досліджень у галузі гравітації, релятивістської астрофізики та космології — космомікрофізика» (голова наукової ради академік А.Загородній). У січні 2007 року на спільному засіданні президії Національної академії наук України та колегії Національного космічного агентства України за поданням академіка Я.Яцківа прийнято до виконання цільову програму наукових досліджень НАНУ «Дослідження структури та складу Всесвіту, прихованої маси і темної енергії», виділено кошти на її реалізацію. Керівник цієї програми — академік В.Шульга. Крім виконання великого кола досліджень уже існуючими групами, програма передбачає підготовку і залучення молодих учених, видання наукової, навчальної та науково-популярної літератури. Таким чином, є підстави сподіватися, що здобутки українських учених у цій галузі не тільки цитуватимуться в ретроспективних оглядах розвитку проблеми, а й перебуватимуть на передньому краї науки, примножуючи наші знання про найфундаментальніші властивості світу, в якому ми живемо.