Всего лишь сто лет назад ученые обнаружили, что наше Мироздание стремительно увеличивается в размерах.
Еще сто лет назад представления о Вселенной базировались на ньютоновской механике и евклидовой геометрии. Даже немногие ученые, такие как Лобачевский и Гаусс, допускавшие (только как гипотезу!) физическую реальность неевклидовой геометрии, считали космическое пространство вечным и неизменным
В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи. Обе эти идеи спустя много лет легли в основу общей теории относительности. Сам Клиффорд до этого не дожил — он умер от туберкулеза в возрасте 34 лет за 11 дней до рождения Альберта Эйнштейна.
Красное смещение
Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография. В 1886 году английский астроном Уильям Хаггинс заметил, что длины волн звездного света несколько сдвинуты по сравнению с земными спектрами тех же элементов. Исходя из формулы оптической версии эффекта Допплера, выведенной в 1848 году французским физиком Арманом Физо, можно вычислить величину радиальной скорости звезды. Подобные наблюдения позволяют отследить движение космического объекта.
Еще сто лет назад представления о Вселенной базировались на ньютоновской механике и евклидовой геометрии. Даже немногие ученые, такие как Лобачевский и Гаусс, допускавшие (только как гипотезу!) физическую реальность неевклидовой геометрии, считали космическое пространство вечным и неизменным. Из-за расширения Вселенной судить о расстоянии до далеких галактик непросто. Свет, дошедший через 13 млрд лет от галактики A1689-zD1 в 3,35 млрд световых лет от нас (А), «краснеет» и ослабевает по мере преодоления расширяющегося пространства, а сама галактика удаляется (B). Он будет нести информацию о дистанции в красном смещении (13 млрд св. лет), в угловом размере (3,5 млрд св. лет), в интенсивности (263 млрд св. лет), тогда как реальное расстояние составляет 30 млрд св. лет.
Четверть века спустя эту возможность по‑новому использовал сотрудник обсерватории во Флагстаффе в штате Аризона Весто Слайфер, который с 1912 года изучал спектры спиральных туманностей на 24-дюймовом телескопе с хорошим спектрографом. Для получения качественного снимка одну и ту же фотопластинку экспонировали по нескольку ночей, поэтому проект двигался медленно. С сентября по декабрь 1913 года Слайфер занимался туманностью Андромеды и с помощью формулы Допплера-Физо пришел к выводу, что она ежесекундно приближается к Земле на 300 км.
В 1917 году он опубликовал данные о радиальных скоростях 25 туманностей, которые показывали значительную асимметрию их направлений. Только четыре туманности приближались к Солнцу, остальные убегали (и некоторые очень быстро).
Слайфер не стремился к славе и не пропагандировал свои результаты. Поэтому они стали известны в астрономических кругах, лишь когда на них обратил внимание знаменитый британский астрофизик Артур Эддингтон.
В 1924 году он опубликовал монографию по теории относительности, куда включил перечень найденных Слайфером радиальных скоростей 41 туманности. Там присутствовала все та же четверка туманностей с голубым смещением, в то время как у остальных 37 спектральные линии были сдвинуты в красную сторону. Их радиальные скорости варьировали в пределах 150 — 1800 км/с и в среднем в 25 раз превышали известные к тому времени скорости звезд Млечного Пути. Это наводило на мысль, что туманности участвуют в иных движениях, нежели «классические» светила.
Космические острова
В начале 1920-х годов большинство астрономов полагало, что спиральные туманности расположены на периферии Млечного Пути, а за его пределами уже нет ничего, кроме пустого темного пространства. Правда, еще в XVIII веке некоторые ученые видели в туманностях гигантские звездные скопления (Иммануил Кант назвал их островными вселенными). Однако эта гипотеза не пользовалась популярностью, поскольку достоверно определить расстояния до туманностей никак не получалось.
Эту задачу решил Эдвин Хаббл, работавший на 100-дюймовом телескопе-рефлекторе калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон. В 1923—1924 годах он обнаружил, что туманность Андромеды состоит из множества светящихся объектов, среди которых есть переменные звезды семейства цефеид. Тогда уже было известно, что период изменения их видимого блеска связан с абсолютной светимостью, и поэтому цефеиды пригодны для калибровки космических дистанций. С их помощью Хаббл оценил расстояние до Андромеды в 285 000 парсек (по современным данным, оно составляет 800 000 парсек). Диаметр Млечного Пути тогда полагали приблизительно равным 100 000 парсек (в действительности он втрое меньше). Отсюда следовало, что Андромеду и Млечный Путь необходимо считать независимыми звездными скоплениями. Вскоре Хаббл идентифицировал еще две самостоятельные галактики, чем окончательно подтвердил гипотезу «островных вселенных».
Справедливости ради стоит отметить, что за два года до Хаббла расстояние до Андромеды вычислил эстонский астроном Эрнст Опик, чей результат — 450000 парсек — был ближе к правильному. Однако он использовал ряд теоретических соображений, которые не были так же убедительны, как прямые наблюдения Хаббла.
К 1926 году Хаббл провел статистический анализ наблюдений четырех сотен «внегалактических туманностей» (этим термином он пользовался еще долго, избегая называть их галактиками) и предложил формулу, позволяющую связать расстояние до туманности с ее видимой яркостью. Несмотря на огромные погрешности этого метода, новые данные подтверждали, что туманности распределены в пространстве более или менее равномерно и находятся далеко за границами Млечного Пути. Теперь уже не приходилось сомневаться, что космос не замыкается на нашей Галактике и ее ближайших соседях.
Модельеры космоса
Эддингтон заинтересовался результатами Слайфера еще до окончательного выяснения природы спиральных туманностей. К этому времени уже существовала космологическая модель, в определенном смысле предсказывавшая эффект, выявленный Слайфером. Эддингтон много размышлял о ней и, естественно, не упустил случая придать наблюдениям аризонского астронома космологическое звучание.
Современная теоретическая космология началась в 1917 году двумя революционными статьями, представившими модели Вселенной, построенные на основе общей теории относительности. Одну из них написал сам Эйнштейн, другую — голландский астроном Виллем де Ситтер.
Законы Хаббла
Эдвин Хаббл эмпирически выявил примерную пропорциональность красных смещений и галактических дистанций, которую он с помощью формулы Допплера-Физо превратил в пропорциональность между скоростями и расстояниями. Так что мы имеем здесь дело с двумя различными закономерностями.
Хаббл не знал, как они связаны друг с другом, но что об этом говорит сегодняшняя наука?
Как показал еще Леметр, линейная корреляция между космологическими (вызванными расширением Вселенной) красными смещениями и дистанциями отнюдь не абсолютна. На практике она хорошо соблюдается лишь для смещений, меньших 0,1. Так что эмпирический закон Хаббла не точный, а приближенный, да и формула Допплера-Физо справедлива только для небольших смещений спектра.
А вот теоретический закон, связывающий радиальную скорость далеких объектов с расстоянием до них (с коэффициентом пропорциональности в виде параметра Хаббла V=Hd), справедлив для любых красных смещений. Однако фигурирующая в нем скорость V — вовсе не скорость физических сигналов или реальных тел в физическом пространстве. Это скорость возрастания дистанций между галактиками и галактическими скоплениями, которое обусловлено расширением Вселенной. Мы бы смогли ее измерить только в том случае, если были бы в состоянии останавливать расширение Вселенной, мгновенно протягивать мерные ленты между галактиками, считывать расстояния между ними и делить их на промежутки времени между измерениями. Естественно, что законы физики этого не позволяют. Поэтому космологи предпочитают использовать параметр Хаббла H в другой формуле, где фигурирует масштабный фактор Вселенной, который как раз и описывает степень ее расширения в различные космические эпохи (поскольку этот параметр изменяется со временем, его современное значение обозначают H0). Вселенная сейчас расширяется с ускорением, так что величина хаббловского параметра возрастает.
Измеряя космологические красные смещения, мы получаем информацию о степени расширения пространства. Свет галактики, пришедший к нам с космологическим красным смещением z, покинул ее, когда все космологические дистанции были в 1+z раз меньшими, нежели в нашу эпоху. Получить об этой галактике дополнительные сведения, такие как ее нынешняя дистанция или скорость удаления от Млечного Пути, можно лишь с помощью конкретной космологической модели. Например, в модели Эйнштейна — де Ситтера галактика с z = 5 отдаляется от нас со скоростью, равной 1,1 с (скорости света). А вот если сделать распространенную ошибку и просто уравнять V/c и z, то эта скорость окажется впятеро больше световой. Расхождение, как видим, нешуточное.
Зависимость скорости далеких объектов от красного смещения согласно СТО, ОТО (зависит от модели и времени, кривая показывает настоящее время и текущую модель). При малых смещениях зависимость линейная.
Эйнштейн в духе времени считал, что Вселенная как целое статична (он пытался сделать ее еще и бесконечной в пространстве, но не смог найти корректные граничные условия для своих уравнений). В итоге он построил модель замкнутой Вселенной, пространство которой обладает постоянной положительной кривизной (и поэтому она имеет постоянный конечный радиус). Время в этой Вселенной, напротив, течет по‑ньютоновски, в одном направлении и с одинаковой скоростью. Пространство-время этой модели искривлено за счет пространственной компоненты, в то время как временная никак не деформирована. Статичность этого мира обеспечивает специальный «вкладыш» в основное уравнение, препятствующий гравитационному схлопыванию и тем самым действующий как вездесущее антигравитационное поле. Его интенсивность пропорциональна особой константе, которую Эйнштейн назвал универсальной (сейчас ее называют космологической постоянной).
Космологическая модель Леметра, описывающая расширение Вселенной, намного опередила свое время. Вселенная Леметра начинается с Большого взрыва, после которого расширение сначала замедляется, а затем начинает ускоряться.
Эйнштейновская модель позволила вычислить размер Вселенной, общее количество материи и даже значение космологической постоянной. Для этого нужна лишь средняя плотность космического вещества, которую, в принципе, можно определить из наблюдений. Не случайно этой моделью восхищался Эддингтон и использовал на практике Хаббл. Однако ее губит неустойчивость, которую Эйнштейн просто не заметил: при малейшем отклонении радиуса от равновесного значения эйнштейновский мир либо расширяется, либо претерпевает гравитационный коллапс. Поэтому к реальной Вселенной такая модель отношения не имеет.
Пустой мир
Де Ситтер тоже построил, как он сам считал, статичный мир постоянной кривизны, но не положительной, а отрицательной. В нем присутствует эйнштейновская космологическая константа, но зато полностью отсутствует материя. При введении пробных частиц сколь угодно малой массы они разбегаются и уходят в бесконечность. Кроме того, время на периферии вселенной де Ситтера течет медленней, нежели в ее центре. Из-за этого с больших расстояний световые волны приходят с красным смещением, даже если их источник неподвижен относительно наблюдателя. Поэтому в 1920-е годы Эддингтон и другие астрономы задались вопросом: не имеет ли модель де Ситтера чего-нибудь общего с реальностью, отраженной в наблюдениях Слайфера?
Эти подозрения подтвердились, хоть и в ином плане. Статичность вселенной де Ситтера оказалась мнимой, поскольку была связана с неудачным выбором координатной системы. После исправления этой ошибки пространство де Ситтера оказалось плоским, евклидовым, но нестатичным. Благодаря антигравитационной космологической константе оно расширяется, сохраняя при этом нулевую кривизну. Из-за этого расширения длины волн фотонов возрастают, что и влечет за собой предсказанный де Ситтером сдвиг спектральных линий. Стоит отметить, что именно так сегодня объясняют космологическое красное смещение далеких галактик.
От статистики к динамике
История открыто нестатичных космологических теорий начинается с двух работ советского физика Александра Фридмана, опубликованных в немецком журнале Zeitschrift fur Physik в 1922 и 1924 годах. Фридман просчитал модели вселенных с переменной во времени положительной и отрицательной кривизной, которые стали золотым фондом теоретической космологии. Однако современники эти работы почти не заметили (Эйнштейн сначала даже счел первую статью Фридмана математически ошибочной). Сам Фридман полагал, что астрономия еще не обладает арсеналом наблюдений, позволяющим решить, какая из космологических моделей более соответствует реальности, и потому ограничился чистой математикой. Возможно, он действовал бы иначе, если бы ознакомился с результатами Слайфера, однако этого не случилось.
По-другому мыслил крупнейший космолог первой половины XX века Жорж Леметр. На родине, в Бельгии, он защитил диссертацию по математике, а затем в середине 1920-х изучал астрономию — в Кембридже под руководством Эддингтона и в Гарвардcкой обсерватории у Харлоу Шепли (во время пребывания в США, где он подготовил вторую диссертацию в МIT, он познакомился со Слайфером и Хабблом). Еще в 1925 году Леметру впервые удалось показать, что статичность модели де Ситтера мнимая. По возвращении на родину в качестве профессора Лувенского университета Леметр построил первую модель расширяющейся вселенной, обладающую четким астрономическим обоснованием. Без преувеличения, эта работа стала революционным прорывом в науке о космосе.
Вселенская революция
В своей модели Леметр сохранил космологическую константу с эйнштейновским численным значением. Поэтому его вселенная начинается статичным состоянием, но со временем из-за флуктуаций вступает на путь постоянного расширения с возрастающей скоростью. На этой стадии она сохраняет положительную кривизну, которая уменьшается по мере роста радиуса. Леметр включил в состав своей вселенной не только вещество, но и электромагнитное излучение. Этого не сделали ни Эйнштейн, ни де Ситтер, чьи работы были Леметру известны, ни Фридман, о котором он тогда ничего не знал.
Сопутствующие координаты
В космологических вычислениях удобно пользоваться сопутствующими координатными системами, которые расширяются в унисон с расширением Вселенной. В идеализированной модели, где галактики и галактические кластеры не участвуют ни в каких собственных движениях, их сопутствующие координаты не меняются. А вот дистанция между двумя объектами в данный момент времени равна их постоянной дистанции в сопутствующих координатах, умноженной на величину масштабного фактора для этого момента. Такую ситуацию легко проиллюстрировать на надувном глобусе: широта и долгота каждой точки не меняются, а расстояние между любой парой точек увеличивается с ростом радиуса.
Использование сопутствующих координат помогает осознать глубокие различия между космологией расширяющейся Вселенной, специальной теорией относительности и ньютоновской физикой. Так, в ньютоновской механике все движения относительны, и абсолютная неподвижность не имеет физического смысла. Напротив, в космологии неподвижность в сопутствующих координатах абсолютна и в принципе может быть подтверждена наблюдениями. Специальная теория относительности описывает процессы в пространстве-времени, из которого можно с помощью преобразований Лоренца бесконечным числом способов вычленять пространственные и временные компоненты. Космологическое пространство-время, напротив, естественно распадается на искривленное расширяющееся пространство и единое космическое время. При этом скорость разбегания далеких галактик может многократно превышать скорость света.
Леметр еще в США предположил, что красные смещения далеких галактик возникают из-за расширения пространства, которое «растягивает» световые волны. Теперь же он доказал это математически. Он также продемонстрировал, что небольшие (много меньшие единицы) красные смещения пропорциональны расстояниям до источника света, причем коэффициент пропорциональности зависит только от времени и несет информацию о текущем темпе расширения Вселенной. Поскольку из формулы Допплера-Физо следовало, что радиальная скорость галактики пропорциональна красному смещению, Леметр пришел к выводу, что эта скорость также пропорциональна ее удаленности. Проанализировав скорости и дистанции 42 галактик из списка Хаббла и приняв во внимание внутригалактическую скорость Солнца, он установил значения коэффициентов пропорциональности.
Незамеченная работа
Свою работу Леметр опубликовал в 1927 году на французском языке в малочитаемом журнале «Анналы Брюссельского научного общества». Считают, что это послужило основной причиной, из-за которой она поначалу осталась практически незамеченной (даже его учителем Эддингтоном). Правда, осенью того же года Леметр смог обсудить свои выводы с Эйнштейном и узнал от него о результатах Фридмана. У создателя ОТО не было технических возражений, однако он решительно не поверил в физическую реальность леметровской модели (подобно тому, как раньше не принял фридмановские выводы).
Графики Хаббла
Между тем в конце 1920-х годов Хаббл и Хьюмасон выявили линейную корреляцию между расстояниями до 24 галактик и их радиальными скоростями, вычисленными (в основном еще Слайфером) по красным смещениям. Хаббл сделал из этого вывод о прямой пропорциональности радиальной скорости галактики расстоянию до нее. Коэффициент этой пропорциональности сейчас обозначают H0 и называют параметром Хаббла (по последним данным, он немного превышает 70 (км/с)/мегапарсек).
Статья Хаббла с графиком линейной зависимости между галактическими скоростями и дистанциями была опубликована в начале 1929 года. Годом ранее молодой американский математик Хауард Робертсон вслед за Леметром вывел эту зависимость из модели расширяющейся Вселенной, о чем Хаббл, возможно, знал. Однако в его знаменитой статье эта модель ни прямо, ни косвенно не упоминалась. Позднее Хаббл высказывал сомнения, что фигурирующие в его формуле скорости реально описывают движения галактик в космическом пространстве, однако всегда воздерживался от их конкретной интерпретации. Смысл своего открытия он видел в демонстрации пропорциональности галактических расстояний и красных смещений, остальное предоставлял теоретикам. Поэтому при всем уважении к Хабблу считать его первооткрывателем расширения Вселенной нет никаких оснований.
И все-таки она расширяется!
Тем не менее Хаббл подготовил почву для признания расширения Вселенной и модели Леметра. Уже в 1930 году ей воздали должное такие мэтры космологии, как Эддингтон и де Ситтер; немногим позже ученые заметили и по достоинству оценили работы Фридмана. В 1931 году с подачи Эддингтона Леметр перевел на английский свою статью (с небольшими купюрами) для «Ежемесячных известий Королевского астрономического общества». В этом же году Эйнштейн согласился с выводами Леметра, а годом позже совместно с де Ситтером построил модель расширяющейся Вселенной с плоским пространством и искривленным временем. Эта модель из-за своей простоты долгое время была очень популярна среди космологов.
В том же 1931 году Леметр опубликовал краткое (и без всякой математики) описание еще одной модели Вселенной, объединявшей в себе космологию и квантовую механику. В этой модели начальным моментом выступает взрыв первичного атома (Леметр также называл его квантом), породивший и пространство, и время. Поскольку тяготение тормозит расширение новорожденной Вселенной, его скорость уменьшается — не исключено, что почти до нуля. Позднее Леметр ввел в свою модель космологическую постоянную, заставившую Вселенную со временем перейти в устойчивый режим ускоряющегося расширения. Так что он предвосхитил и идею Большого взрыва, и современные космологические модели, учитывающие присутствие темной энергии. А в 1933 году он отождествил космологическую постоянную с плотностью энергии вакуума, о чем до того никто еще не додумался. Просто удивительно, насколько этот ученый, безусловно достойный титула первооткрывателя расширения Вселенной, опередил свое время!
Звездное небо над головой долгое время было для человека символом вечности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звезды на самом деле движутся, причем с огромными скоростями. В ХХ в. человечество свыклось с еще более странным фактом: расстояния между звездными системами – галактиками, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются.
И дело здесь не в природе галактик: сама Вселенная расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих основополагающих принципов: все вещи меняются в этом мире, но мир в целом всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием ХХ в.
Все началось, когда Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. В ее уроках описаны фундаментальные свойства материи, пространства и времени. («относительный» по-латыни звучит как relativus, поэтому теории основанные на теории относительности Эйнштейна, называются релятивистскими).
Применив свою теорию ко Вселенной как целой системе, Эйнштейн обнаружил, что такого решения, которому соответствовала бы не меняющаяся со временем Вселенная, не получается. Этот не удовлетворил великого ученого.
Чтобы добиться стационарного решения своих уравнений, Эйнштейн ввел в них дополнительное слагаемое – так называемый ламбда-член. Однако до сих пор никто не смог найти какого-либо физического обоснования этого дополнительного члена.
В начале 20-х годов советский математик А. А. Фридман решил для Вселенной уравнения общей теории относительности, не накладывая условия стационарности. Он доказал, что могут существовать два состояния для Вселенной: расширяющийся мир и сжимающийся мир. Полученные Фридманом уравнения используют для описания эволюции Вселенной и в настоящее время.
Все эти теоретические рассуждения никак не связывались учеными с реальным миром, пока в 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл не подтвердил расширения видимой части Вселенной. Он использовал при этом эффект Доплера. Линии в спектре движущегося источника смещаются на величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения ее спектральных линий.
Еще во втором десятилетии ХХ в. американский астроном Весто Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что они удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду.
Хаббл определил расстояние до небольшого числа галактик и их скорости. Из его наблюдений следовало, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Закон, по которому скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла.
Означает ли это, что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение? С точки зрения астрономов, такое невозможно. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен увидеть ту же картину: все галактики имели бы красные смещения, пропорциональные расстояния до них. Само пространство как бы раздувается.
Вселенная расширяется, но уентр расширения отсутствует: из любого места картина расширения будет представляться той же самой.
Если на воздушном шарике нарисовать галактики, и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга и разница лишь в том, что нарисованные галактики сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем. Это объясняется тем, что составляющие их звезды связаны между собой силами гравитации.
Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо. Самые далекие из известных галактик и квазаров имеют такое большое красное смещение, что длины волн всех линий в спектрах оказываются больше, чем у близких источников в 5 – 6 раз!
Но если Вселенная расширяется, то сегодня мы видим ее не такой, какой она была в прошлом. Миллиарды лет назад галактики располагались значительно ближе друг к другу. Еще раньше отдельных галактик просто не могло существовать, а еще ближе к началу расширения не могло быть даже звезд. Эта эпоха – начало расширения Вселенной – удалена от нас на 12 – 15 млрд лет.
Оценки возраста галактик пока слишком приближенны, чтобы уточнить эти цифры. Но надежно установлено, что самые старые звезды различных галактик имеют примерно одинаковый возраст. Следовательно, большинство звездных систем возникло в тот период, когда плотность вещества во Вселенной была значительно выше современной.
На начальной стадии все существо Вселенной имело настолько высокую плотность, что ее даже невозможно было себе представить. Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввел в 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр, а предложение, что первоначальное вещество было очень горячим, впервые высказал Георгий Антонович Гамов в 1946 г. Впоследствии эту гипотезу подтвердило открытие так называемого реликтового излучения. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим Взрывом. Но остается множество вопросов. Что привело к образованию ныне наблюдаемой Вселенной, к началу Взрыва? Почему пространство имеет три измерения, а время одно? Как в стремительно расширяющейся Вселенной смогли появиться стационарные объекты – звезды и галактики? Что было до начала Большого Взрыва? Над поисками ответов на эти и другие вопросы работают современные астрономы и физики.
Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» - некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?
Прообраз этой заметки был недавно опубликован в научно-популярном разделе Хабра, правда под замком так что возможно не всем заинтересованным она досталась. В этом варианте сделаны довольно существенные дополнения, как что всем должно быть интересною.
История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной. Одна из них, Supernova Cosmology Project , приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team , подключилась к исследованиям в 1994-м. Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.
Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?
Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в ${{10}^{39}}$ раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.
Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено . Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.
До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.
Космическое расширение
Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.
Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением $z=\left(\lambda_{obs}-\lambda_0\right)/\lambda_0$, где $\lambda_{obs}$ - длина света на Земле и $\lambda_{0}$-длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны $\lambda_0=121.6$ нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при $\lambda_{obs}=1337.6$ нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.
Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.
Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла $H_{0}$: ${{\rho}_{crit}}=3H_{0}^{2}/8\pi\cdot{G}$. Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.
Масса, энергия и кривизна пространства-времени непосредственно связаны в ОТО. Одно из объяснений, следовательно, может состоять в том, что щель между критической плотностью и наблюдаемой плотностью материи заполнена некоторой плотностью энергии, связанной с деформацией пространства на больших масштабах и наблюдаемой только на масштабах порядка $c/{{H}_{0}}\sim 4000\ Mpc$. К счастью, кривизна Вселенной может быть определена с помощью прецизионных измерений МКФ. Реликт, с происхождением 400.000 после Большого Взрыва, МКФ есть излучение абсолютно черного тела, источником которого является первичная плазма. Когда Вселенная остыла ниже $3000\ K$ плазма стала прозрачной для фотонов и они получили возможность свободно распространяться в пространстве. Сегодня почти 15 млрд лет спустя мы наблюдаем тепловой резервуар фотонов при температуре $2.726\ K$, что представляет результат красного смещения за счет космического расширения.
Замечательный образ МКФ был получен с помощью WMAP спутника, показывающий малейшие изменения фотонной температуры «неба». Эти вариации, известные как анизотропия МКФ отражают малые вариации плотности и движения ранней Вселенной. Эти вариации, которые возникают на уровне ${{10}^{-5}}$ являются зародышами крупномасштабной структуры (галактики, кластеры), которые мы наблюдаем сегодня.
Наиболее холодные/горячие пятна в космическим микроволновом фоне обязаны фотонам, которые выбрались из участков гравитационного потенциала наибольшей/наименьшей плотности. Размеры этих областей хорошо определены физикой плазмы. Когда мы рассматриваем полную Вселенную, видимый угловой размер этих анизотропий должен быть около ${{0.5}^{0}}$, если Вселенная имеет достаточную кривизну чтобы заполнить энергетическую щель и в два раза большие угловые размеры в отсутствие всякого искривления пространства. Наиболее простой способ представить в воображении этот геометрический эффект заключается в следующем: представим себе треугольник с фиксированным основанием и боковыми сторонами (просто сторонами?), нарисованный на поверхностях разной кривизны. Для cедловой поверхности/сферы внутренние углы будут меньше/больше, чем у того же треугольника, нарисованного на плоской поверхности (с эвклидовой геометрией).
С 1999 года был проведен целый ряд экспериментов (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), которые показали, что пятна МКФ имеют размеры порядка${{1}^{0}}$. Это означает, что геометрия Вселенной плоская. С точки зрения проблемы недостающей энергии это означает, что нечто другое, чем кривизна должно быть ответственно за заполнение щели. Для некоторых космологов этот результат выглядел как déjà vu. Инфляция, лучшая теория происхождения первичных флуктуаций МКФ, предполагает, что очень раняя Вселенная испытывала период ускоренного расширения, который управлялся частицей, называемой инфлатоном. Инфлатон должен был растягивать любую крупномасштабную кривизну, делая геометрию Вселенной плоской или эвклидовой. Доказательство предполагает существование формы энергии, которая препятствует кластеризации галактик, которая гравитационно отталкивательная и которая, возможно, обязана частице, отличной от инфлатона.
Космическая гармония
Данные по реликтовому излучению и сверхновым звездам данные согласованно подтвердили, что источником космического ускорения является темная энергия. Но это было только начало. Комбинируя прецизионные измерения МКФ, полеченные WMAP, с радио, оптическим и рентгеновским зондирование крупномасштабных распределений материи астрофизики получили дальнейшие доказательства убыстрения скорости расширения Вселенной. Оказалось, что гравитационные потенциальные ямы плотности и уплотнения во Вселенной были растянуты и сглажены со временем, как будто под влиянием отталкивательной гравитации. Этот эффект известен как интегральный эффект (Sachs-Wolfe (ISW)). Он приводит к корреляции между температурной анизотропией в реликтового излучения и крупномасштабной структуре Вселенной. Хотя первичная плазма стала прозрачной для фотонов, когда Вселенная остыла, фотоны не путешествуют беспрепятственно. Космос изрешечен неоднородностями, которые сильны на малых расстояниях (где материя кластеризуется в звезды, галактики и туманности) и постепенно ослабевает на больших масштабах длины… Во время своего полета фотоны падают в гравитационные ямы и выбираются из них.
После того как космическое излучение было впервые детектировано (около 40 лет назад) Сакс и Вольф показали, что изменяющийся во времени потенциал должен приводить к энергетическому сдвигу МКФ проходящих через него фотонов. Фотон приобретает энергию, когда падает в гравитационную яму и тратит ее, когда выбирается из нее. Если потенциал стал глубже в ходе этого процесса, то, следовательно, фотон в целом потеряет энергию. Если потенциал станет мельче, фотон приобретет энергию.
Во Вселенной, где полная критическая плотность образуется только атомами и темной материей, слабые гравитационные потенциалы на очень больших пространственных масштабах (которые соответствуют плавным (gentle) волнам плотности материи) эволюционируют слишком медленно, чтобы оставить заметные следы на МКФ фотонах. Более плотные области просто захватывают окружающее вещество с той самой скоростью, с которой космическое расширение удлиняет волы, оставляя потенциал неизменным. Однако при более быстром расширении Вселенной, обязанному темной энергии, аккреция материи не может конкурировать с растяжением. Эффективно получается, что гравитационный коллапс замедляется отталкивающей темной материей. Следовательно, гравитационный потенциал имеет тенденцию к выполаживанию и фотоны приобретают энергию при прохождении этих областей. Подобным же образом фотоны теряют энергию, проходя через области пониженной плотности. (Не тривиально!)
Отрицательное давление
Величайшая загадка космического ускорения состоит не в том, что оно предполагает, что 2/3 субстанции, заполняющей Вселенную, мы не видим, а в том, что оно навязывает существование вещества с гравитационным отталкиванием. Чтобы рассмотреть это странное свойство темной энергии полезно ввести величину $w={{p}_{dark}}/{{\rho }_{dark}}$. Это выражение напоминает уравнение состояния газа. В ОТО скорость изменения космического расширения пропорциональна $-\left({{\rho }_{total}}+3{{p}_{total}} \right)$. Для ускоренного расширения эта величина должна быть положительной. Так как ${{\rho }_{total}}$ положительна, а среднее давление обычной и темной материи пренебрежимо мало (потому что она холодная и нерелятивистская), мы приходим к требованию $3w\times {{\rho }_{dark}}+{{\rho }_{total}}
Почему давление влияет на расширение Вселенной? Эйнштейн показал, что материя и энергия искривляют пространство-время. Поэтому для горячего газа кинетическая энергия его атомов дает вклад в их гравитационные силы, как это было измерено с помощью измерения ускорения удаленных тел. Однако силы, которые требуются для того, чтобы удержать или изолировать газ работают против этого избыточного давления. Вселенная с другой стороны не является ни изолированной, ни ограниченной. Расширение космоса, заполненного горячим газом, эффективно будет происходить медленнее (за счет самогравитации), чем расширение Вселенной, заполненной холодным газом. По этой же логике, среда с таким отрицательным давлением, что ${{\rho }_{total}}+3p
Отрицательное давление не такое редкое явление. Давление воды в некоторых высоких деревьях становится отрицательным по мере того как питание поднимается по их сосудистой системе. В однородном электрическом или магнитном поле также можно найти конфигурации обладающие отрицательным давлением. В этих случаях давление есть нечто похожее на растянутую пружину под напряжением, вызванном внутренними силами. На микроскопическом уровне резервуар хиггсовских бозонов (гипотетических частиц, генерирующих массу частиц в Стандартной Модели) создает отрицательное давление, когда его тепловые или кинетические возбуждения малы. Действительно, инфлатон можно рассматриватькак тяжелую версию хиггсовского бозона. Одна из предложенных версий темной энергии – квинтэссенция – может быть даже более легкой версией хиггсов.
В принципе, не существует нижней границы давления во Вселенной. Хотя странные вещи происходят, если $w$ опускается до значения меньше, чем $-1.$ Изолированные куски такого материала могут иметь отрицательную массу. …..Но одна вещь очевидна. Такое сильное отрицательное давление не имеет места для нормальных частиц и полей в ОТО. Многочисленные наблюдения приводят к более узкому диапазону параметров темной энергии, чем те, которые следуют из приведенных выше общих рассуждений.
Комбинация предсказаний различных теоретических моделей и лучших наблюдений реликтового излучения, крупномасштабных структур и сверхновых звезд приводят к $$\Omega_{dark}= 0.728^{+0.015}_{-0.016}$$ $$w= -0.980\pm0.053 $$
Краткая история темной энергии
Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать $\Lambda$. Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.
В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили $\Lambda$ в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное $\Lambda$. Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.
В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице – . Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много . К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.
Темная энергия и будущее Вселенной
С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.
Поскольку мы эти свойства знаем сейчас плохо, предсказать будущее мы пока не можем. Можно только рассмотреть разные варианты. Про то, что происходит в теориях с новой гравитацией, сказать трудно, но другие сценарии есть возможность обсудить уже сейчас. Если темная энергия постоянна во времени, как в случае энергии вакуума, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение. Большинство галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша Галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте. Если темная энергия - квинтэссенция, то в далеком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием. В последнем случае Вселенная вернется в состояние с горячей и плотной материей, произойдет "Большой взрыв наоборот", назад во времени.
Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.
Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия - фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.
Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение - рост плотности энергии со временем - сопровождается неустойчивостями . В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет.
Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее - а может быть, и повлиять на него.
Как расширяется Вселенная
Юрий Ефремов, доктор физико-математических наук
Российские ученые показали, что расширением Вселенной управляет физический вакуум, обнаруженный в 1998 г. по астрономическим наблюдениям. Это неожиданное открытие открывает новые пути для развития естествознания и понимания самых глубоких закономерностей окружающего нас Мира.
Решает ли фундаментальная наука стоящие перед человечеством проблемы или же приводит только к новым опасностям? - ответ на этот вопрос зависит от того, насколько далеко вперед способен заглянуть человек. Все блага цивилизации мы принимаем как данность, но все они, как и успехи медицины, явились итогом многих десятилетий и веков работы ученых, занимавшихся пустячными на взгляд обывателя занятиями, вроде наблюдений за звездами или за жизнью каких-то козявок. Применение результатов науки, неконтролируемое учеными, принесло и много тяжелых проблем, но теперь лишь дальнейшее развитие науки способно нас от них избавить, равно как и дать новые источники энерги и, спасти от вызовов будущего, - таких, как новые эпидемии или природные катаклизмы.
Развитие естествознания, рано или поздно приносящее плоды, необходимые для дальнейшего существования нашей цивилизации, возможно только если равномерно развиваются все его отрасли, сколь далекими они не казались бы от теперешних человеческих нужд. Исследования ядер атомов казались до 1939 г. никчемной тратой денег; немногочисленные исследователи занимались этой проблемой только потому, что хотели знать, как устроен мир. Эта любознательность остается движущей силой науки; проблемы, которые встают перед ней, определяются внутренней логикой ее развития.
Астрономия, казалось бы, относится к самым отвлеченным от жизни занятиям, особенно теперь, когда уже ни летчики, ни моряки не нуждаются в ее услугах. Однако напомним слова Эйнштейна: "Интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможно развитие современной техники, пришли в основном от наблюдения звезд". В последние годы развитие теор етической физики (которая в ХХ веке одарила нас не только бомбой, но и лазерами и всевозможной электроникой...) стало еще более тесно связано с успехами астрономии. А в этой науке в самом конце ХХ века началась настоящая революция, о которой еще мало знает широкая публика. (О ней расказывается в двух вышедших недавно книгах сотрудников ГАИШ МГУ: Ю.Н.Ефремов, "Вглубь Вселенной", М., УРСС, 2003; А.М.Черепащук, А.Д.Чернин, "Вселенная, жизнь, черные дыры", М., Век-II, 2003).
Когда-нибудь - может быть через несколько лет, а может быть лишь через многие десятилетия - и эта революция принесет человечеству плоды, об истоках которых к тому времени позабудут, как забыты почти всеми истоки нашего нынешнего городского комфорта. Впрочем, у человека существуют ведь и духовные потребности. Давно сказано, что он отличается от некоторых животных и тем, что способен иногда поднимать голову к небу и обращать взор на звезды...
В этой статье мы расскажем о вкладе российских ученых в развитие космологии последних лет, которое привело к радикальному изменению наших представлений о Вселенной. Космология, наука о Вселенной в целом, стоящая на стыке физики
и астрономии, родилась одновременно с общей теор ией относительности. Из ее уравнений, написанных Альбертом Эйнштейном в 1916 г. первоначально следовало, что Вселенная не может быть статичной, она должна расширяться или сжиматься.
Однако испокон веков философы были уверены в том, что Космос, Вселенная в целом, вечен и неизменен. Не было и никаких наблюдательных данных, которые позволяли бы в 1916 г. говорить о расширении Вселенной - да собственно говоря и Вселенная еще не была открыта. Эйнштейн считал, что она населена звездами, и наша система Млечного пути охватывает всю Вселенную. Больших скоростей движения звезд не наблюдалось, и это давало ему и эмпирическ ие основания добавить в свои уравнения еще один член - космологическую постоянную, которая должна сделать Вселенную статичной.
Однако уже в 1925 г. стало окончательно ясно, что наша звездная система является лишь одной из бесчисленных таких систем - галактик, населяющих огромную Вселенную (Рис. 1). Высокие скорости движения по лучу зрения у галактик уже были известны - линии в спектрах далеких галактик были неизменно сдвинуты в красную сторону. Это было следствием эффекта Допплера, который вызывает смещение спектральных линий в длинноволновую (красную) сторону при удалении от нас наблюдаемых объектов, и в синюю сторону - при их приближении.
К 1929 г. благодаря работам Эдвина Хаббла и Милтона Хьюмасона на величайшем тогда в мире 2,5-м телескопе на горе Вилсон в Калифорнии стало окончательно ясно, что существует пропорциональность между скоростями удаления галактик и их расстояниями от нас (на самом деле увеличиваются, конечно, все расстояния между всеми галактиками) - Вселенная расширяется (Рис. 2). Необходимость в космологической постоянной, какзалось бы, отпала - Вселенная действительно оказалась нестатичной. Расстояния галактик R представляются формулой R = Ht, где t - время и H - константа, названная позднее постоянной Хаббла.
После этого открытия Эйнштейн назвал введение космологической постоянной своей самой грубой ошибкой. И вплоть до конца ХХ века крупнейшие физики были убеждены в том, что в этой постоянной нет необходимости - она равна нулю. Только теперь мы начинаем понимать, что ошибочным у Эйнштейна было лишь придание космологической постоянной значения, необходимого именно для статичности Вселенной. Существование некоей силы, наряду с обычным тяготением управляющей динамикой Вселенной, было недавно доказано. После открытия расширения Вселенной (в 1929 г.) и реликтового излучения, оставшегося от первых тысячелетий расширения Вселенной (в 1965 г.), это крупнейшее достижение в наблюдательной астрономии и космологии. Сравнить с ним можно только доказательство наличия сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
Выбор между космологическими моделями, описывающими Вселенную в целом можно сделать при сравнении с наблюдениями теор етических зависимостей между красным смещением и расстояниями далеких объектов с известной светимостью: при больших красных смещениях должны появиться особенности, которые должны сказать - ускоренно, равномерно или замедленно идет расширение Вселенной. И это в принципе может дать величину космологической постоянной.
Основная трудность в применении этого способа связана с необходимостью иметь надежные данные о максимально далеких объектах с известной светимостью - и в определении этой светимости и тем самым расстояний. Долгое время единственными объектами, вроде бы удовлетворяющими этим требованиям оставались ярчайшие галактики в богатых скоплениях, светимость которых можно считать примерно одинаковой. Однако оставались серьезные проблемы, связанные в частности с тем, что наиболее далекие галактики мы видим на миллиарды лет более молодыми, чем галактики наших окрестностей (Рис. 3).
Конечно, еще более серьезной оставалась проблема начала расширения - экстрапол яция его назад приводит к выводу, что миллиарды лет назад все вещество Вселенной было сосредоточено в точечном объеме. Сам Хаббл испугался этого непреложного вывода из своего открытия и считал возможным старение фотонов - уменьшение их энерги и (и стало быть увеличение длины волны) на их пути из глубин Вселенной. Однако это предположение влечет ряд следствий, которые не согласуются ни с теор ией, ни с наблюдениями.
На фоне этой сверхпроблемы долгое время оставалась незамеченной другая. Согласно существовавшей теор ии, космологическое расширение в однородном и изотропном мире происходит по линейному закону, если мы мы уходим на расстояния, на которых скорость этого расширения пространства превышает скорости галактик, обусловленные их движением при гравитационном взаимодействием с соседними галактиками. Хаббл располагал данными лишь до расстояний (в современной шкале) около 20 Мегапарсек (~60 тысяч световых лет), самые далекие его галактики были членами скопления галактик в созвездии Девы. Тем не менее Хаббл нашел, что скорости удаления галактик линейно зависят от расстояния, хотя мы знаем теперь, что однородность распределения галактик в пространстве и изотропность их скоростей наступают лишь на масштабах 100 - 300 Мегапарсек. И вот оказывается, что и на этих расстояниях постоянная Хаббла имеет ту же величину, что и на расстояниях в 2 - 20 Мегапарсек.
Лишь в 1972 г. парадоксальность этого обстоятельства отметил крупнейший американский астроном Аллан Сендидж, ученик Хаббла. Он подчеркнул также необходимость объяснения другой странности - наличие скоплений галактик, внутри которых они быстро двигаются, не вызывает большого разброса в положении галактик вокруг средней линии зависимости красного смещения от расстояния. В статье, опубликованной в 1999 г., Сендидж нашел, что локальное и глобальное значения постоянной Хаббла совпадают с точностью не хуже 10%.
Аналогичные результаты по еще более точным данным были получены недавно И.Д.Караченцевым и его группой с помощью наблюдений на 6-м телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН и на Космическом телескопе им. Хаббла (Рис. 4). Измеренная Караченцевым и соавторами постоянная Хаббла по данным о галактиках на расстояниях до 8 Мегапарсек оказалась такой же, как и по данным для самых далеких галактик. Объяснить этот парадокс Сендидж не мог и заключил, что "мы так и остаемся с этой тайной". Правда, уже в 1972 г. он подозревал, что постоянство расширения Вселенной на всех масштабах обусловлены глубокими космологическими причинами. И это было правильной догадкой.
В 90-ые годы стало выясняться, что гораздо лучшими, чем ярчайшие галактик в скоплениях, "стандартными свечами" могут служить Сверхновые типа Ia. Это звезды, вспыхивающие на несколько дней или недель столь ярко, что становятся сравнимыми по блеску с целой галактикой. Явление сверхновых типа Ia происходит в тесных системах, состоящих из двух плотных звезд - белых карликов при обмене веществом между компонентами системы (Рис. 5).
Попытки использовать сверхновые этого типа для целей космологии начались довольно давно, но наблюдательных данных нехватало. Проблема состояла в трудности получения наблюдательного времени на больших телескопах. Комитеты, распределяющие время этих телескопов, раньше терпеть не могли заявки на работы типа поисков, слежения, обзоров; большие телескопы ведь предназначены для изучения уникальных объектов...
Успех пришел к 1997 г. одновременно к двум командам. Одна из них была сформирована в 1988 г. в Национальной лаборатории им. Лоуренса в США и состояла в основном из физиков, ее возглавил С.Перлмуттер; другую команду, из астрономов, возглавил в 1994 г. Б.Шмидт, работавший на Обсерваториях Маунт Стромло и Сайдинг Спринг в Австралии. Эти команды получили доступ к 4-м телескопам на этой обсерватории и на Серро Тололо, а позднее и к Хаббловскому Космическому телескопу и 10-м телескопу Кека на Гавайских островах; на последнем получались спектральные данные (которые, между прочим, показали, что у далеких сверхновых аналогичные спектральные изменения свершаются медленнее, чем у более близких, - еще одно доказательство допплеровской природы красного смещения).
Результаты казались - и некоторым кажутся и сейчас - невероятными. Далекие сверхновые оказались систематически более слабыми, чем требовал линейный закон Хаббла и это означало, что Вселенная расширяется с ускорением и космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительный знак (Рис. 6). С.Перлмуттер рассказывает, что после одного из его первых выступлений с сообщением об открытии, один знаменитый физик - теор етик заметил, что эти наблюдательные результаты должны быть ошибочными, поскольку космологическая постоянная должна быть очень близкой к нулю.
Однако о надежности результатов говорила близость независимых выводов двух команд, тщательно рассмотревших все возможные источники ошибок. Небольшие различия в максимальной светимости сверхновых оказалось возможным учесть на основе работ, выполненных еще в 1970-ых годах Ю.П.Псковским (ГАИШ МГУ) - эти различия зависят от скорости падения блеска звезды.
В октябре 2003 года большая международная команда астрономов подтвердила вывод об ускоренном расширении Вселенной. Они получили данные о 23 сверхновых, среди которых 7 очень далеких, и это позволяет уверенно говорить о том, что ускорение расширения Вселенной не является кажущимся, и что характеристики сверхновых Ia не зависят от их расстояний и возрастов.
Ускоренное расширение Вселенной заставляет некоторых физиков вводить новую сущность, "квинтэссенцию", новое физическое поле, для которого эффективная гравитационная плотность отрицательна и которое, следовательно, способно создать антигравитацию, ведущую к ускорению расширения Вселенной. Однако классики науки учат нас не вводить новые сущности без крайней необходимости. Таким же свойством отрицательного давления обладает космический вакуум, который присутствует повсюду. Он фигурирует и в физике микромира, представляя собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. Именно в нем происходят взаимодействия элементарных частиц; реальность физического вакуума бесспорно установлена в нескольких экспериментах.
Теперь есть все основания считать, что космологический член в уравнениях Эйнштейна описывает именно плотность энерги и вакуума. Эта плотность постояна во времени и в пространстве, причем в любой системе отсчета, и она имеет положительное значение.
Давление вакуума равно плотности со знаком минус, умноженной на квадрат скорости света, и следовательно, оно отрицательно, - что и вызывает ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное теперь по данным о далеких сверхновых.
Свойства вакуума и позволяют объяснить парадокс Сендиджа. Он и его соавторы (Astrophys. J., V. 590, P. 256, 2003) отмечают, что первыми этом сделали в 2001 г. Российские и Финские астрономы. Согласно А.Д.Чернину (ГАИШ МГУ), П.Теерикорпи (Обсерватория Турку) и Ю.В.Барышеву (АИ СПбГУ) - см. обзорную статью Чернина, (Успехи физ. наук, т. 171, #11, с. 1153, 2001) - парадоксальные результаты Сендиджа и Караченцева объясняется тем, что именно вакуум определяет динамику Вселенной. Крупномасштабная кинематика галактик - расширение Вселенной - является однородной, регулярной, хотя их пространственное распределение весьма иррегулярно в тех же объемах. Это означает, что крупномасштабная динамика галактик управляется вакуумом, плотность которого начинает превышать плотность вещества уже с расстояний порядка 1,5 - 2 кпк от нас. Плотность его одинакова везде и именно она и задает темп расширения - постоянную Хаббла. Динамический эффект вакуума не зависит ни от движений, ни от распределения галактик в пространстве. Таким образом, исходя из объяснения ускоренного расширения Вселенной наличием космического вакуума, А.Чернин и его коллеги нашли и естественное объяснение парадокса Сендиджа. Концепция же квинтэссенции остается пока придуманной ad hoc - она предложена лишь потому, что даваемое астрономическими наблюдениями значение плотности энерги и вакуума несовместимо с убеждениями многих физиков.
Итак, все сходится к тому, что астрономы сумели измерить величину, о знании которой давно мечтали физики - плотность энерги и вакуума. Результат оказался неожиданным. Ожидалось, что такая фундаментальная величина должна иметь какое-то выделенное значение, либо нулевое, либо же определяемое планковской плотностью - комбинацией из постоянной тяготения, скорости света и постоянной Планка, имеющей размерность плотности и составляющей 5 х 1093 г/см3. Однако наблюденное астрономами значение плотности вакуума меньше планковского на 122 порядка - и все же оно отнюдь не нулевое! Плотность энерги и вакуума составляет около 70% плотности всего вещества Вселенной. Этот результат следует и из спутниковых измерений флуктуаций фона реликтового излучения. Он означает, что Вселенная будет расширяться вечно...
Все это ставит трудные проблемы перед фундаментальной физикой. В обзорной статье в УФН А.Д.Чернин приводит аргументы в пользу предположения, что природа вакуума должна быть как-то связана с физикой электрослабых процессов при возрасте мира около 10-12 секунды. В эпоху, когда температура расширяющегося космоса упала до соответствующего этим процессам значения, возможно и произошел последний по времени скачок (фазовый переход) в состоянии первичного вакуума, который и обусловил современное значение плотности космического физического вакуума.
Первичный вакуум - это теор етическое понятие того же уровня фундаментальности, что и понятия времени и пространства. Предполагается, что его плотность должна быть близка к планковской плотности. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих его существование, пока нет, но именно флуктуации первичного вакуума, по мнению многих теор етиков, дают начало множеству вселенных с самыми разными значениями физических констант в них. Та из этих вселенных, параметры которой (на современном этапе!) совместимы с жизнью, является Нашей Вселенной...
Итак, Вселенная состоит на 70% из вакуума, - и лишь 4% приходится на барионы, из которых состоят звезды и газ. Это также результат последних лет. Остальные 26% плотности энерги и Вселенной дает "холодное темное вещество", обнаружимое (пока?) лишь по его гравитационному полю. Носителями этой скрытой массы являются скорее всего еще неизвестные физике слабо взаимодействующие элементарные частицы. Их усиленно разыскивают с приборами, расположенными глубоко под землей. Но об этом уже нет места рассказывать.
Могут сказать, что астрономы в итоге XX века оказались у разбитого корыта? Но нет, мы взобрались на очередную вершину знания - и увидели с нее новые пики. Состав Вселенной мы сумели определить, наблюдая звезды, масса которых составляет лишь около 1% ее полной массы (рис. 7). Это очередной триумф науки - и доказательство того, что конца науки не будет, если человечество будет ее поддерживать. И тогда нам не будут страшны никакие вызовы будущего!
Мироздание не статично. Это подтвердили исследования астронома Эдвина Хаббла еще в 1929 году, то есть почти 90 лет назад. На эту мысль его навели наблюдения за движением галактик. Еще одним открытием астрофизиков в завершение двадцатого века стало вычисление расширения Вселенной с ускорением.
Как называют расширение Вселенной
Некоторые удивляются, услышав, как ученые называют расширение Вселенной. Это наименование у большинства связано с экономикой, причем с негативными ожиданиями.
Инфляция - это процесс расширения Вселенной сразу после её появления, причем с резким ускорением. В переводе с английского «инфляция» - «накачивать», «раздувать».
Новые сомнения о существовании темной энергии как фактора теории инфляции Вселенной используют противники теории расширения.
Тогда ученые предложили карту черных дыр. Первоначальные данные отличаются от тех, что были получены на позднем этапе:
- Шестьдесят тысяч черных дыр с расстоянием между самыми дальними больше одиннадцати миллионов световых лет - данные четырехлетней давности.
- Сто восемьдесят тысяч галактик с черными дырами с удалением в тринадцать миллионов световых лет. Данные, полученные учеными, в том числе российскими ядерными физиками, в начале 2017 года.
Эти сведения, говорят астрофизики, не противоречат классической модели Вселенной.
Скорость расширения Вселенной - задача для космологов
Скорость расширения действительно является задачей для космологов и астрономов. Правда, о том, что скорость расширения Вселенной не имеет постоянного параметра, космологи больше не спорят, расхождения перешли в другую плоскость - когда расширение начало ускоряться. Данные о кочевании в спектре очень далеких сверхновых галактик первого типа доказывают, что расширение - это не внезапно наступивший процесс.
Ученые считают, что первые пять миллиардов лет Вселенная сужалась.
Первые последствия Большого Взрыва сначала спровоцировали мощное расширение, а потом началось сжатие. Но темная энергия все-таки повлияла на рост мироздания. Причем с ускорением.
Американские ученые приступили к созданию карты размеров Вселенной для разных эпох, чтобы выяснить, когда началось ускорение. Наблюдая взрывы сверхновых, а также направление концентрации в древних галактиках, космологи заметили особенности ускорения.
Почему Вселенная «разгоняется»
Изначально подразумевалось, что в составленной карте значения ускорения не были линейны, а превратились в синусоиду. Ее назвали «волной Вселенной».
Волна Вселенной говорит о том, что ускорение не шло с постоянной скоростью: оно то замедлялось, то ускорялось. Причем несколько раз. Ученые считают, что было семь таких процессов за 13,81 миллиарда лет после Большого Взрыва.
Однако космологи пока не могут ответить на вопрос о том, от чего зависит ускорение-замедление. Предположения сводятся к мысли, что энергетическое поле, от которого берет начало темная энергия, подчинено волне Вселенной. И, переходя от одного положения к другому, Вселенная то расширяет ускорение, то замедляет его.
Несмотря на убедительность доводов, они все-таки остаются пока теорией. Астрофизики надеются, что информация орбитального телескопа «Планк» подтвердит существование волны Вселенной.
Когда нашли темную энергию
Впервые о ней заговорили в девяностые из-за взрывов сверхновых. Природа темной энергии неизвестна. Хотя еще Альберт Эйнштейн выделил космическую постоянную в своей теории относительности.
В 1916 году, сто лет назад, Вселенная еще считалась неизменной. Но сила притяжения вмешалась: космические массы неизменно бы ударились друг от друга, если бы Вселенная была недвижима. Эйнштейн объявляет гравитацию за счет космической силы отталкивания.
Жорж Леметр обоснует это через физику. Вакуум содержит энергию. Из-за её колебаний, приводящих к появлению частиц и дальнейшего их разрушения, энергия приобретает силу отталкивания.
Когда Хаббл доказал расширение Вселенной, Эйнштейн назвал чушью.
Влияние темной энергии
Мироздание раздвигается с постоянной скоростью. В 1998 году миру представили данные анализа вспышек сверхновых первого типа. Было доказано, что Вселенная разрастается все быстрее.
Происходит это из-за непознанного вещества, её прозвали «темной энергией». Выяснится, что она занимает почти 70 % пространства Вселенной. Суть, свойства и природа темной энергии не изучены, но её ученые пытаются выяснить, имелась ли она в других галактиках.
В 2016 году вычислили точную скорость расширения на ближайшее будущее, но появилось несовпадение: Вселенная расширяется с большей скоростью, чем ранее предположили астрофизики. В среде ученых разгорелись споры о существовании темной энергии и её влиянии на скорость расширения пределов мироздания.
Расширение Вселенной происходит без темной энергии
Теорию независимости процесса расширения Вселенной от темной энергии выдвинули ученые в начале 2017 года. Расширение они объясняют изменением структуры Вселенной.
Ученые из Будапештского и Гавайского университетов пришли к выводу, что несовпадение расчетов и реальной скорости расширения связаны с изменением свойств пространства. Никто не учитывал, что происходит с моделью Вселенной при расширении.
Усомнившись в существовании темной энергии, ученые объясняют: самые большие концентраты материи Вселенной влияют на её расширение. При этом остальное содержание распределяется равномерно. Однако факт остается неучтенным.
Для демонстрации обоснованности своих предположений ученые предложили модель мини-Вселенной. Они представили её в форме набора пузырьков и начали просчет параметров роста каждого пузырька с собственной скоростью, зависящей от его массы.
Такое моделирование Вселенной показало ученым, что она может изменяться без учета энергии. А если «примешать» темную энергию, то модель не изменится, считают ученые.
В общем-то, споры все еще продолжаются. Сторонники темной энергии говорят, что она влияет на расширение границ Вселенной, противники стоят на своем, утверждая, что значение имеет концентрация материи.
Скорость расширения Вселенной сейчас
Ученые убеждены, что расти Вселенная начала после Большого Взрыва. Тогда, почти четырнадцать миллиардов лет назад, оказалось, что скорость расширения Вселенной больше скорости света. И она продолжает расти.
В книге Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени» отмечается, что скорость расширения границ Вселенной не может превышать 10 % за миллиард лет.
Чтобы определить, какова скорость расширения Вселенной, летом 2016 года лауреат Нобелевской премии Адам Рисс рассчитал расстояние до пульсирующих цефеид в близких друг к другу галактиках. Эти данные позволили вычислить скорость. Выяснилось, что галактики на расстоянии не меньше трех миллионов световых лет могут отдаляться со скоростью почти 73 км/с.
Результат был удивителен: орбитальные телескопы, тот же «Планк», говорили о 69 км/с. Почему зафиксирована такая разница, ученые не в силах дать ответ: им ничего не известно о происхождении темной материи, на которую опирается теория расширения Вселенной.
Темная радиация
Еще один фактор «разгона» Вселенной обнаружили астрономы с помощью «Хаббла». Темное излучение, как предполагают, появилось в самом начале образования Вселенной. Тогда больше в ней было энергии, а не материи.
Темное излучение «помогло» темной энергии расширить границы Вселенной. Расхождения в определении скорости ускорения были из-за неизвестности этого излучения, считают ученые.
Дальнейшая работа «Хаббла» должна сделать наблюдения более точными.
Таинственная энергия может уничтожить Вселенную
Такой сценарий ученые рассматривают уже несколько десятилетий, данные космической обсерватории «Планк» говорят, что это далеко не только предположения. Их опубликовали в 2013 году.
«Планк» замерил «эхо» Большого взрыва, появившееся в возрасте Вселенной около 380 тысяч лет, температура составила 2 700 градусов. Причем температура менялась. «Планк» определил и «состав» Вселенной:
- почти 5 % - звезды, космическая пыль, космический газ, галактики;
- почти 27 % - масса темной материи;
- около 70 % - темная энергия.
Физик Роберт Колдуэл предположил, что темная энергия обладает силой, способной нарастать. И эта энергия разъединит пространство-время. Галактика будет отдаляться в ближайшие двадцать-пятьдесят миллиардов лет, считает ученый. Этот процесс будет происходить при нарастающем расширении границ Вселенной. Это оторвет Млечный Путь от звезды, и он тоже распадется.
Космосу отмерили около шестидесяти миллионов лет. Солнце станет карликовой гаснущей звездой, и от нее отделятся планеты. После взорвется Земля. В следующие тридцать минут пространство разорвет атомы. Финалом станет разрушение структуры пространство-время.
Куда «улетает» Млечный Путь
Иерусалимские астрономы убеждены, что Млечный Путь набрал максимальную скорость, которая выше скорости расширения Вселенной. Ученые объясняют это стремлением Млечного Пути к «Великому Аттрактору», считающемуся самым крупным Так Млечный Путь уходит из космической пустыни.
Ученые используют разные методики измерения скорости расширения Вселенной, поэтому нет единого результата этого параметра.
