Научные размышления о темной стороне нашей Вселенной

Москва, 20:49, 27 Июн 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Чуть менее 14 миллиардов лет назад наша Вселенная возникла в эпохальном событии, известном как Большой Взрыв. Там, где раньше не было ничего — никакой энергии, даже пространства и времени, как мы их знаем, — внезапно появился перегретый зародыш, из которого выросла современная Вселенная.

Расширяющаяся Вселенная

Сегодня пространство нашей Вселенной огромно. Когда астрономы смотрят в ночное небо через свои телескопы, самые дальние галактики, которые они видят, находятся на расстоянии многих миллиардов световых лет. Пространство достигло этих ошеломляющих масштабов по одной простой причине, а именно: оно расширяется.

Это расширение было предсказано Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна (хотя Эйнштейн изначально отверг это понятие), а позднее было открыто в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом и его помощником Милтоном Хьюмасоном.

Затем начались соревнования, чтобы выяснить, насколько быстро происходит расширение. Это определит ключевые свойства нашей Вселенной, такие как ее возраст, то, как образовались крупномасштабные структуры, такие как галактики, и, возможно, самое важное, как Вселенная может в конечном итоге закончить свои дни. Внутреннее гравитационное притяжение медленно расширяющейся Вселенной в конечном итоге остановит расширение и заставит пространство перевернуться, буквально упав обратно на себя и взорвавшись в виде некоего «обратного Большого Взрыва», который был назван Большим Хрустом.

Это похоже на шар, брошенный в воздух, который должен в конечном итоге упасть на землю из-за силы гравитации. Но выбросить шар в воздух гораздо быстрее, то он сможет избежать притяжения планеты. Быстро расширяющаяся Вселенная будет вести себя почти так же, расширение будет продолжаться вечно, приводя к вечной Вселенной, хотя и все менее и менее плотной, поскольку галактики растягиваются во все увеличивающемся объеме пространства.

«Неправильная» Вселенная

И все же чем дольше астрономы смотрели в свои телескопы, тем яснее становилось, что простая Вселенная, наполненная материей, расширяющаяся под действием силы тяжести, не совпадает с наблюдениями.

Для начала, казалось, что в космосе было больше материи, чем просто сложение всех ярких, видимых вещей, которые можно объяснить. В 1930-х годах астрономы, исследующие скопления галактик, обнаружили, что некоторые из галактик в скоплении, по-видимому, движутся так быстро, что они смогут избежать гравитации скопления. Тот простой факт, что все галактики не улетали в космос, означал, что в скоплении должно быть достаточно гравитации, чтобы удержать их все вместе как связанную систему — но, похоже, для этого не было достаточно материи.

Позже, в 1970-х годах, исследования обнаружили такое же несоответствие в отдельных галактиках, а затем и во Вселенной в целом, предполагая, что где-то от 50 до 95 процентов материи во Вселенной состоит из этого таинственной невидимой материи, которая была названа «темная материя». Никто не был уверен в том, что это такое (и это все еще имеет место сегодня), хотя они были уверены в одном — вся избыточная гравитация этого недостающего вещества выглядела так, чтобы тормозить космическое расширение.

К середине 1990-х годов усилившиеся разногласия между астрономическими наблюдениями и теоретическими расчетами привели астрофизиков к мысли, что темная материя была не единственным скрытым компонентом Вселенной. И в 1998 году эти подозрения подтвердились. Две команды астрономов, работая независимо, обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется гравитацией вообще. На самом деле, как раз наоборот — оно ускоряется.

Сверхновые, как маяки во Вселенной

Этот вывод был сделан из исследований сверхновых — огромных взрывов, каждый из которых отмечает смерть массивной звезды. Они необычайно яркие, на короткое время затмевают свет всех звезд в своей галактике — вместе они делают их идеальными для космологии, где цели наблюдения должны быть видны на расстоянии миллиардов световых лет.

В частности, астрономы рассмотрели класс сверхновых, известный как тип 1a (которые встречаются в двойных звездных системах — пары звезд на орбите вокруг друг друга). Они особенные, потому что продолжительность огненного шара сверхновой может быть связана формулой с их собственной яркостью. И это означает, что если измерить их видимую яркость, наблюдаемую с Земли, то видно, насколько их свет был затуманен расстоянием, и, следовательно, насколько далеко они и их галактики на самом деле находятся.

Конечная скорость света означает, что галактики, находящиеся далеко на расстоянии, видны так, как будто они очень далеко во времени. Изучение галактики в миллиардах световых лет от Земли, таким образом, дает астрономам моментальный снимок того, чем была Вселенная в прошлом миллиарды лет назад. И это позволило двум командам астрономов создать картину того, как расширение изменилось со временем в космической истории. Их результаты ясно показали, что скорость расширения неуклонно растет по мере взросления Вселенной.

Что такое темная энергия и квинтэссенция?

Но что может быть причиной? Физики поспешили придумать имя — «темная энергия», хотя выяснить, из чего конкретно она создана, было совсем другое дело. Эйнштейн выдвинул лучшее предложение. Он сказал, что Вселенная была наполнена тем, что он назвал «космологической постоянной» (названной так потому, что она проявляется как постоянный член в уравнениях общей теории относительности), которая генерирует точно такой же эффект ускорения, который наблюдался в наблюдениях сверхновых. Это было еще тогда, когда Эйнштейн пытался «исправить» предсказание общей теории относительности о том, что пространство расширяется — ускорение было именно тем, что ему было нужно, чтобы нейтрализовать гравитацию и удерживать Вселенную неподвижной. Но когда Хаббл и Хьюмасон открыли, что пространство расширяется, он быстро отправил космологическую постоянную в мусорное ведро.

Квантовые физики — ученые, которые изучают поведение субатомных частиц вещества — подсчитали, что эффект космологической константы должен возникать из вакуума пустого пространства. Квантовая теория предсказывает, что вакуум заполнен «виртуальными частицами», которые появляются и исчезают в течение очень коротких периодов времени. И результирующая «вакуумная энергия», которую создают все эти призрачные частицы, когда они включены в уравнения общей теории относительности, приводит к эффекту космического ускорения, который может объяснить темную энергию. Проблема, однако, заключается в том, что количество темной энергии, предсказанное квантовой теорией, намного больше, чем позволяют предположить наблюдения.

Другая возможность состоит в том, что темная энергия является продуктом не самого пустого пространства, а поля материи или пространства, заполняющего энергию. В этих рамках темная энергия не будет постоянной, но будет динамично развиваться по мере расширения Вселенной. Космологи придумали термин «квинтэссенция», чтобы описать поле моделей движения материи, подобное этому, ссылаясь на пятый из классических элементов, из которых древнегреческие философы считали, что Вселенная составлена.

Квинтэссенция привлекательна, потому что она может помочь решить проблему в космологии, которая возникла недавно, когда современные измерения скорости космического расширения значительно больше, чем оценки, полученные с помощью измерений молодой Вселенной и их эволюции во времени, используя лучшие космологические модели. Одним из решений является модель, подобная квинтэссенции, в которой не только ускоряется расширение Вселенной, но и скорость ускорения, то есть космическое ускорение увеличивается со временем. Дополнительное ускорение, которое генерирует это экзотическое разнообразие темной энергии, известное как «фантомная энергия», будет стимулировать космическое расширение, приведя его в соответствие с наблюдениями.

Поскольку темная энергия вызывает ускорение расширения Вселенной, а не втягивает ее обратно в себя, кажется вероятным, что Вселенная, принимающая эту материю, будет продолжать расширяться вечно, исключая возможность Большого Хруста. Хотя изменяющееся во времени поле квинтэссенции могло бы изменить все это, возможно, позволив Вселенной перевернуться в будущем, даже если сейчас происходит полная противоположность.

Чтобы объяснить темную энергию, нужны наблюдения

Необходимы дополнительные астрономические наблюдения, и есть несколько проектов, запланированных для дальнейшего изучения природы темной энергии. В 2020 году Большой синоптический обзорный телескоп (LSST) в Чили начнет 10-летнее исследование далеких галактик. Также в этом году Европейское космическое агентство запустит свой космический телескоп Евклид. А в середине 2020-х годов НАСА запускает собственную космическую обсерваторию — широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST). Текущие оценки природы темной энергии подтверждают, что она ведет себя как космологическая постоянная Эйнштейна с точностью до 10%. Евклид, WFIRST и LSST ужесточат это примерно до 3% — или, что еще интереснее, они могут раскрыть доказательства того, что темная энергия — это совершенно «другое животное». Нам просто нужно подождать и посмотреть.

Доказательства существования темной энергии довольно убедительны. Лучшие наблюдения показывают, что она составляет 69 процентов нашей Вселенной. Около 26 процентов — темная материя, в то время как атомы и молекулы — то, из чего сделаны звезды и планеты, вы и я — составляют довольно мизерные 5 процентов. В 2011 году астрономы, которые сделали прорывные наблюдения сверхновых, подтверждающие ее существование, были удостоены Нобелевской премии по физике.

Темная энергия — это центральная часть того, что мы не понимаем в космологии. Решение этой загадки расскажет нам, из чего состоит львиная доля Вселенной, может открыть новые подробности о физике фундаментальных частиц, вероятно, даст ключ к природе Большого Взрыва и почти наверняка определит, как Вселенная наконец умрет.

И именно поэтому раскрытие этой загадки остается одним из наиболее актуальных приоритетов для космологов в 21 веке.