31.07.2006. - ДО ЧЕГО ДОВЕДЕТ "РАСПИРАНИЕ" ВСЕЛЕННОЙ?

ДО ЧЕГО ДОВЕДЕТ "РАСПИРАНИЕ" ВСЕЛЕННОЙ?

Сергей ИЛЬИН

Пространственное распределение скоплений галактик по результатам компьютерного моделирования (крупномасштабная структура) (изображение: ziv.telescopes.ru)

Изучение далеких сверхновых звезд привело к установлению закономерности: начиная с какого-то времени скорость расширения Вселенной увеличивается. Вселенная стала расширяться ускоренно.

На первый взгляд это утверждение кажется безумным. Не встроено же во вселенную какое-то "распирающее устройство", которое запрограммировано включиться в определенный момент! Но если вдуматься, станет ясно, что дело может обстоять гораздо проще.

Представим себе, что во Вселенной есть некое постоянное, но малое "распирающее поле". По причине малости оно до поры до времени меньше поля гравитации вещества, которая тормозит расширение пространства. Но расширение все же происходит, и по мере роста "объема" Вселенной плотность вещества в нем уменьшается. Стало быть, уменьшается и гравитация. И наступает момент, когда исходно большая, но убывающая гравитация сравнивается с исходно маленьким, но постоянным "распирающим полем", а потом ему и уступает. И тогда это поле начинает все энергичнее "распирать" пространство, ускоряя его расширение.

Всякое поле — это распределенная в пространстве энергия, и загадочное "распирающее поле" — не исключение. Оно имеет энергию, — которая сразу же получила название "темной", — а потому имеет эквивалентную этой энергии массу, способно дополнить совокупную массу обычного и темного вещества таким образом, что вместе, втроем, они составляют как раз ту критическую массу, которая необходима для того, чтобы наша Вселенная была плоской. Это означает, что парадокс "недостающей массы" может быть разрешен, если принять, что недостающие 70 процентов критической массы привносит поле "темной энергии". Если в небесах есть парламент, то 70% мандатов в нем — это "квалифицированное большинство", которому принадлежит решающий голос, даже в самых важных вопросах.

И один такой вопрос напрашивается сразу: каково будущее Вселенной? Теперь оказалось, что это будущее существеннейшим образом зависит от решения "парламентского большинства", то есть от природы поля "темной энергии", а к пониманию этой природы теоретики еще только подбираются. На данный момент они предложили уже три различные возможности.

Первый раз темная энергия замаскировалась под "ламбду", или "космологическую постоянную" Эйнштейна. В самом деле, в статичной модели Вселенной по Эйнштейну тоже было некое постоянное поле, которое ее "распирало" и тем самым уравновешивало стягивающий эффект гравитации, позволяя Вселенной оставаться статичной. На этом основании авторы первой гипотезы о природе поля темной энергии называли его "полем космологической постоянной". Но, в отличие от Эйнштейна, они могли теперь указать на происхождение этого поля. Знание это дала им теория инфляции Алана Гута, где оно, это поле, стремительно и чудовищно "раздуло" едва родившуюся Вселенную. Что же вызвало инфляцию?

В отличие от Эйнштейна, Алан Гут не придумал свое "распирающее поле". Он "вывел" его из теории элементарных частиц, которая приводит к выводу (а эксперименты на ускорителях его подтверждают), что "пустое пространство" на самом деле не пусто — оно битком набито "виртуальными частицами". То и дело из "ничего" рождается пара "частица-античастица" (например, электрон и позитрон), и, потанцевав, как мотыльки, в течение кратчайшего, отпущенного им принципом неопределенности, времени, они сгорают в пылких объятиях друг друга, проще говоря — взаимно аннигилируют, выделяя энергию в виде искорки фотона. Это рождение-исчезновение "виртуальных пар" в вакууме наводит на мысль, что в действительности вакуум наполнен невидимой энергией.

В ходе анализа этих выводов теории частиц Гут пришел к заключению, что вакуум может иметь несколько разных, отличающихся по энергии состояний, или "фаз", подобно тому, как обычное вещество может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазах. Вакуум может переходить из одной фазы в другую, и наибольший интерес представляет собой переход из фазы "ложного" (весьма энергетического) вакуума в фазу вакуума "истинного" (с минимальной энергией). Этот фазовый переход напоминает собой процесс замерзания воды, и так же, как в случае воды, "ложный" вакуум может быть "переохлажден", так что он при первом удобном случае "разом" переходит в состояние "истинного", выделяя огромную энергию. Вот эта энергия и создает инфляционное "распирание" Вселенной.

Способность к такому "распиранию" — уникальная особенность "ложного" вакуума, которой нет ни у одного другого объекта. Все обычные материалы отличаются тем, что плотность энергии в них создается веществом, и если объем увеличивается (и соответственно плотность вещества уменьшается), то уменьшается и плотность энергии. Но энергия "ложного" вакуума целиком порождена полем, а поле при увеличении объема попросту заполняет весь новый объем, и потому плотность его энергии все время остается постоянной.

Неизбежно возникает вопрос: откуда берется новая энергия, чтобы при увеличении объема плотность оставалась постоянной? Гут объясняет это так. Положим, "ложный" вакуум заполняет находящийся в обычном вакууме цилиндр с поршнем, и поршень выдвигается, увеличивая объем "ложного" вакуума в цилиндре. Для того чтобы плотность энергии "ложного" вакуума осталась при этом неизменной, нужно, чтобы его энергия возросла, а для этого надо совершить над ним работу. В таком примере вполне понятно, кто ее совершает — это та невидимая рука, которая отодвигает поршень. Но почему же отодвигание поршня требует работы, если дело происходит в обычном вакууме? Единственное объяснение состоит в том, что "ложный" вакуум, видимо, оказывает сопротивление увеличению объема в цилиндре. Заметим, что если бы в цилиндре был обычный воздух, он тоже оказывал бы сопротивление — но сжатию поршня. Обычный воздух сопротивлялся бы вдвигаемому в цилиндр поршню своим давлением на него, направленным наружу, положительным давлением. Стало быть, "ложный" вакуум оказывает сопротивление вытягиваемому из цилиндра поршню своим давлением, направленным внутрь, или "отрицательным" давлением.

Мы приходим к выводу, что странная форма материи, плотность энергии которой всегда, при любом объеме, остается постоянной, должна обладать не менее странным свойством "отрицательного" давления (то есть, в сущности, всасывания). Может показаться, что в масштабах всей Вселенной такой "ложный" вакуум должен оказывать сопротивление ее расширению, должен замедлять его. Увы, во Вселенной нет понятий "наружу" и "внутрь", "ложный" вакуум наполняет ее целиком, и поэтому силы его отрицательного давления во всех направлениях взаимно погашаются. Но все же некое — и фундаментальной важности — действие он оказывает.

Дело в том, что согласно уравнениям теории гравитации Эйнштейна, давление, подобно массе, тоже создает гравитационное поле (для интересующихся: в уравнение для параметров, определяющих геометрию пространства, входят на равных гравитация и давление вещества Вселенной). А отрицательное давление "ложного" вакуума создает, естественно, отрицательный гравитационный эффект — не стягивание Вселенной, а ее расширение. Вот почему "ложный" вакуум способен ускорять расширение Вселенной (а при переходе в "истинный" вакуум — превращать это обычное расширение в стремительную инфляцию).

Такова, грубо говоря, теория, трактующая темную энергию как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением, как некую "космологическую постоянную" (поскольку это поле в данной теории трактуется именно как постоянное). Такая теория предсказывает, что Вселенная будет расширяться бесконечно и все более ускоренно.

В результате очень далекие космические объекты должны достичь такой скорости удаления от нас, что свет от них никогда не сможет прийти на Землю, иными словами — в ускоряющейся вселенной появляется "горизонт", дальше которого никакие телескопы проникнуть не смогут.

И еще одно: обычное расширение Вселенной, то есть непрерывный "прирост" ее пространства, не порождает никаких сил и потому не влечет за собой никакого изменения (расширения) физических тел. Однако совсем иное дело — ускоренное расширение. Оно эквивалентно появлению некой силы, действующей на все тела в сторону их растяжения. Но эта сила очень мала, например, на поверхности Земли нынешнее ускорение расширения Вселенной порождает силу, равную 10 в минус 30-й степени от земного тяготения. А поскольку размеры любого тела определяются суммой всех действующих на него сил, появление этой новой, растягивающей силы вызовет просто крохотную перестройку всех прежних сил и приход Земли к новому равновесию в чуть более увеличившихся размерах.

Но если ускорение расширения будет нарастать (то есть само будет ускоренным), на тела будет действовать все более растущая сила, и это кончится разрывом не только тел, но и составляющих их атомов и даже элементарных частиц, составляющих эти атомы (так называемый Big Rip). Вселенная опустеет, и эта пустота будет продолжать свой ускоряющийся бег к бесконечности.

Гипотеза темной энергии как "космологической постоянной" имеет две трудности. Во-первых, теория частиц, из которой выведено существование вакуумных полей, предсказывает, что плотность их энергии должна быть фантастически огромной — на 120 порядков (то есть в 10 в 120-й степени) превосходящей ту ничтожную, реальную плотность темной энергии, которая следует из оценок критической плотности массы в плоской Вселенной. Но даже если принять, что реальная плотность темной энергии такова, что дополняет общую плотность вселенной до критической, вызывает удивление тот факт, что Вселенная так "тонко настроена". Как спросил один из физиков: "Откуда темная энергия знала, какой ей нужно быть, чтобы Вселенная стала плоской?" Как ни странен, на первый взгляд, этот вопрос, физики относятся к нему со всей серьезностью. Космические "совпадения" их настораживают, они ищут им причинные объяснения.

Так, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что в этой "тонкой настройке" в действительности проявляется "антропный принцип", грубо говоря: мы видим именно такую плотность темной энергии, потому что, будь она иной, нас бы во Все-ленной не было вообще (иными словами, наша Вселенная — единственная из множества возможных, которая имеет нужную для жизни критическую плотность). Но большинство других физиков предлагает иной выход из трудности — отказ от принципа постоянства темной энергии. Они отвергают теорию "космологической постоянной", заменяя ее теорией "темной энергии как квинтэссенции" (так называлась в старину "пятая сущность" природы, противопоставлявшаяся воде, земле, огню и воздуху).

Сторонники теории квинтэссенции (Пол Стейнхардт и другие) рассуждают так. Если темная энергия имеет постоянную плотность, то при всяком увеличении объема Вселенной общая величина этой энергии должна возрастать — например, при инфляции, когда объем Вселенной рос экспоненциально, так же должна была расти и общая величина темной энергии. Этот рост мог происходить только за счет вычерпывания начальной потенциальной энергии Вселенной, которая при этом становилась все более отрицательной. Выходит, начальная потенциальная энергия вселенной была "заранее так рассчитана", чтобы после инфляции и последующего "спокойного" расширения Вселенной в ней осталась как раз такая плотность темной энергии, чтобы обеспечить общую критическую плотность (то есть плоский характер пространства). Опять "тонкая настройка", да еще какая!

Не проще ли принять, что поле темной энергии имеет другую, не-вакуумную, не-постоянную природу — тогда оно могло бы меняться со временем: в период инфляции его плотность уменьшалась бы так же, как плотность первичной плазмы, потом — как плотность вещества, а еще позже, после образования во Вселенной крупных "комков" обычного и темного вещества (то есть галактик и их скоплений) — по собственному закону, оставаясь почти постоянной на фоне спадающей плотности вещества.

Эта причудливая и прихотливая смена поведения — не просто фантазия теоретиков. Уже показано, что в природе могут существовать некие особые поля — они получили название "тракерных", или "буксирных", — поведение которых как бы следует "на буксире" за поведением вещества или радиации (в зависимости от того, кто из них доминирует во Вселенной). У этих полей есть одна особенность — хотя им тоже соответствуют определенные волны, эти волны имеют огромную длину — порядка размеров Вселенной, и потому они с обычными частицами не взаимодействуют, зато с появлением таких же огромных "комков" вещества (галактик и их скоплений) тут же вступают с ними в "разговор" и меняют свое поведение в сторону превращения в "распирающие", ускоряющие расширение Вселенной поля. Так что начало ускоренного расширения вселенной (то есть переход поля темной энергии к постоянной плотности) и появление в этой Вселенной живых существ, которые наблюдают это ускоренное расширение, отнюдь неслучайно совпадают по времени: и то, и другое закономерно порождено эволюцией Вселенной, которая на определенном этапе пришла к образованию звезд, галактик и скоплений галактик. Без всякого "антропного принципа".

Нельзя не признать, что все эти общие слова звучат весьма туманно, если не сказать фантастично, но в действительности за каждым словом этой "теории квинтэссенции" уже стоят сложные уравнения, и эти уравнения приводят к определенным предсказаниям, которые отличаются от предсказаний "теории космологической постоянной". Каждая теория дает несколько иную величину ускоренного расширения Вселенной. Это, в свою очередь, ведет к несколько разному характеру тонкой структуры спектра остаточного космического излучения.

Кроме того, в "теории квинтэссенции" плотность темной энергии может меняться не только со временем, но и в разных точках пространства, а это должно сказываться на внутриатомных и внутриядерных взаимодействиях. Обнаружение переменности этих взаимодействий (то есть переменности фундаментальных констант природы со временем) было бы важным свидетельством в пользу "теории квинтэссенции". Возможно, уже ближайшие годы позволят решить, какая из "теорий темной энергии" верна, и какая ошибочна.

Но это не означает, что выбор будет производиться только из этих двух теорий. Есть еще и третья, выдвинутая совсем недавно физиком Двали и некоторыми другими. Согласно гипотезе Двали, никакой темной энергии нет вообще, а переход расширения Вселенной к ускоренной фазе объясняется тем, что Вселенная, постепенно расширяясь, достигла таких размеров, когда законы теории гравитации Эйнштейна перестают выполняться и начинают действовать другие, более общие законы, диктующие, в частности, переход к ускоренному расширению. В какой-то мере эта гипотеза подобна теории МОНД, которая отрицает существование темного вещества, утверждая, что слишком быстрое вращение окраин галактик объясняется просто тем, что на больших расстояниях привычный закон тяготения Ньютона уступает место иному закону (см. статью Р. Нудельмана). Гипотеза Двали тоже соблазнительна своей физической простотой, но пока что авторам еще не удалось придать ей непротиворечивую математическую форму. Примерно так же обстоит дело с гипотезой Альбрехта—Скордиса, по которой "темная энергия" вообще "чужда" нашей Вселенной и "вливается" в нее из других измерений пространства.

Наверное, пока достаточно. Мы не будем следовать за этими сложными и все более головоломными конструкциями теоретиков. Расстанемся здесь. Не исключено, что очень скоро ученые дадут нам повод встретиться вновь.

* Заметим, кстати, что в "теории квинтэссенции" судьба Вселенной не может быть предсказана однозначно. Поскольку поле квинтэссенции меняется в зависимости от эволюции состояния вещества в ней, может статься, что ускоренное расширение не будет продолжаться бесконечно, а сменится чем-то другим.

Еще три измерения?

Не исключено, что Вселенная насчитывает шесть пространственных измерений. Такое предположение обосновали в своей новой работе Джозеф Силк и его коллеги из Оксфорда.

Три дополнительных пространственных измерения ученые вывели из странного поведения так называемой темной материи — таинственного невидимого материала, проявляющего себя гравитационным воздействием.

Силк и его коллеги рассмотрели, как темная материя ведет себя в маленьких галактиках и в больших группах галактик. В меньших объектах темная материя, видимо, притягивает к себе обычное вещество весьма заметно. Но в больших группах галактик такого не наблюдается. Там темная материя должна бы составлять ядра куда большие, чем те, что вычислила группа, исходя из анализа вращения объектов.

Возможное объяснение: три дополнительных пространственных измерения меняют гравитационные эффекты на очень коротких расстояниях — приблизительно нанометр. Любопытно, что сходная в чем-то гипотеза о дополнительных измерениях и их проявлении, но не на коротких, а на сверхбольших расстояниях, недавно уже высказывалась. Силк же предполагает, что дополнительные изменения в пространстве оказывают влияние на взаимодействие темной материи и иного вещества. Причем, пишут авторы работы, поскольку в массивных галактических группах частицы темной материи разогнаны до более высоких скоростей, чем в карликовых галактиках, то они меньше времени находятся близко к другу, что снижает эффект от существования дополнительных измерений.

И тут — влияние темной материи?

Астрофизики из Калифорнийского университета предложили объяснение, почему Млечный Путь "искривлен", то есть выступает из плоскости. Причиной "изъяна" могло стать воздействие двух ближайших галактик, известных как Магеллановы облака, и тяжелого облака темной материи, недоступной непосредственным наблюдениям. Об искривлении Галактики (частью которой является Солнечная система) известно сравнительно давно. В 1957 году "выступы" заметил радиоастроном Бурке: в области длинных волн было видно, что на периферии спирали межзвездный газ выходит за пределы диска. Позже выяснилось, что за счет движения звезд форма Млечного Пути становится все более неправильной.

Вначале это попытались объяснить влиянием других объектов так называемой Местной группы галактик, куда, помимо Млечного Пути, входят туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы облака и еще около 30 небольших звездных скоплений. Известно, что туманность Андромеды слишком массивна и одновременно с тем слишком удалена, чтобы вызывать локальные возмущения. Напротив, Магеллановы облака расположены довольно близко, но сами по себе крайне "легки".

Новая гипотеза предполагает, что галактики-спутники, несмотря на малую массу, все-таки могли быть причиной возмущения. С помощью компьютерного моделирования ученые установили, что Магеллановы облака, будучи окруженными оболочкой из темной материи, могли исказить бы Млечный Путь нужным образом. Скорее всего они собрали вокруг себя облако невидимых частиц, которое затем от них отделилось.

Жертвы "темного вещества"

Наша ближайшая большая соседка по космосу, туманность Андромеды, подобно другим большим галактикам, включая нашу, в немалой степени обязана своими внушительными размерами тому грустному факту, что пожирает малые галактики. В настоящее время около нее пасутся на космическом пастбище еще 14 таких крошек, ожидающих своей очереди попасть на королевский стол. И вот недавно швейцарский астроном Ева Гребель, используя космический телескоп Хаббла, выяснила, что 9 из этих малых галактик находятся в одной и той же плоскости, пересекающей спиральный диск туманности Андромеды. В поисках объяснений этой явно нестатистической странности Гербель выдвинула предположение, что галактики выстроились так под влиянием темного вещества, составляющего четверть всей массы космоса. Это вещество уже на первом этапе жизни Вселенной рассеялось в пространстве, образовав систему "нитей" и "простыней" космического масштаба, и, видимо, одна из таких "простыней" стала тем гравитационным "ковром", по которому скользят себе на погибель несчастные малышки.

Темная энергия заявила о себе еще тридцать лет назад

В 1972 году Алан Сэндидж из Калифорнийской обсерватории Карнеги пришел к заключению, что в ближних к нам регионах Вселенной, где ее расширение происходит в наименее быстром темпе, гравитационное притяжение может приводить к заметным отклонениям в скорости движения разлетающихся галактик.

Эти отклонения получили название "пекулярных скоростей", Сэндидж показал, что у галактик, которые располагаются вокруг Местной группы, пекулярные скорости ненормально низки. И вот теперь астрономы заявляют, что эта аномалия уже тогда могла бы заставить космологов заподозрить существование темной энергии. В 1977 году сотрудник Университета штата Вашингтон Фабио Говернато построил компьютерную модель формирования галактик — с момента большого Взрыва и до наших дней. Однако эта модель оказалась неспособной объяснить причину столь низких пекулярных скоростей у близких к нам галактик.

Но сейчас, когда Говернато и его коллеги ввели в свою модель фактор темной энергии, выяснилось, что новая модель совершеннейшим образом соответствует реальности. В тех регионах модели, которые напоминают Местную группу и ее "окрестности", пекулярные скорости оказались как раз такими, какими их наблюдают в действительности. "Это доказывает, что галактики — острова в море темной энергии", — утверждает Говернато.

Он же, однако, считает, что в 1970-е годы темная энергия осталась бы лишь гипотезой — и то в лучшем случае. Без нынешних компьютерных мощностей, даже если бы кто-нибудь и выдвинул такую идею, ему мало кто поверил бы.

"Темное вещество" и новые открытия

Раз в 10000 лет Солнечная система в своем движении через космическое пространство "купается" в темной материи, то есть может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.

Удалось выявить местонахождение двух обширных облаков горячего межзвездного газа, которые могут быть связаны с некоторой частью темной материи.

Компьютерное моделирование показывает, что эта невидимая материя должна формировать паутинообразную структуру из газовых облаков, внутри которых образуются скопления галактик. Эти облака до сих пор никто не мог обнаружить из-за их чрезвычайно низкой плотности.

С помощью цифрового обзора неба удалось выявить никем не замеченную группу звезд. Это может пролить новый свет на историю формирования звездного ореола Млечного Пути, а также разрешить загадку с предсказанием модели преобладания во Вселенной так называемого "холодного темного вещества".

Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми темными ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишая темного вещества.

http://www.inauka.ru/astrophisics/article66019.html 28.07.2006