Темная масса Вселенной – что про нее известно?

Из всех соображений, упомянутых (и не упомянутых) выше, следует, что темная масса Вселенной в 6 раз превышает массу материи обычной – той, что видят и что пока не замечают глаза и приборы. До 70-х годов астрофизики наивно предполагали существование темной массы только в скоплениях галактик. Затем ее «допустили» и в нашу Галактику, где на нее приходится примерно столько же массы, сколько и на обычную материю. В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой. В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика. Темная масса никак не взаимодействует с излучением любых видов, никак не светит сама и ничего не поглощает. Но она подвержена закону всемирного тяготения и проявляет себя, концентрируясь вокруг галактик и других массивных объектов. Впрочем, правильнее сказать, наверное, что это галактики и другие массивные объекты концентрируются вокруг скоплений таинственной темной массы, которой в 6 раз больше. Именно возникавшие на ранней стадии Вселенной неоднородности распределения темной массы привели к образованию первых протогалактик. Более того, из наблюдений спутника WMAP (рис. 5) следует, что она уже существовала в момент Большого взрыва. Без нее наш мир не мог возникнуть. Кроме тяготения темная масса ничем себя не выдает. Предполагается, что она состоит из каких-то неизвестных элементарных частиц с парадоксальными свойствами (для них уже предложено название: «нейтралино»). Они не только не реагируют на излучение, но и практически не взаимодействуют между собой. Многие исследователи считают, что они оставались холодными даже при Большом взрыве, никак не реагируя на миллиарды его градусов. О них нет никаких, абсолютно никаких экспериментальных данных - кроме гравитации. Зато есть очень научное название: «холодная бесстолкновительная темная материя». Находится ли темная масса прямо здесь, рядом с нами, или, чтобы ее почувствовать, нужна вся Галактика? В наше время обычная и темная материи обитают по соседству, но пристрастия у них разные. Темная материя рассеяна в окружающей Галактику сфере, а обычная сконцентрирована в диске и центральных частях Галактики, хотя это не значит, конечно, что темной материи нет вокруг и внутри нас. Но ощущает ли ее, как силы тяжести и инерции, мой кот, который сидел возле меня и сейчас спрыгнул с компьютера? У меня такое ощущение, что наши с ним познания о темной материи одинаковы.

Но что же могли бы представлять собой эти гипотетические элементарные частицы темной массы? Есть только догадки теоретиков, причем около десятка вариантов. Во-первых, частицы темной массы должны быть долгоживущими, не должны распадаться радиоактивным образом в течение по меньшей мере 14 000 000 000 лет. Раз они оставались холодными при Большом взрыве, значит, они нерелятивистские (медленные) и поэтому способны были создать гравитационные неоднородности прямо в момент взрыва. Кандидатами на роль частиц темной массы называют слабо взаимодействующие массивные частицы (английская аббревиатура WIMPs), которым теоретики приписывают интересные свойства, но которые, увы, еще не открыты. Что уже известно, так это плотность темной массы. В межгалактическом пространстве, в кубе со стороной 170 000 км (половина расстояния до Луны), содержится в среднем всего 1 г обычного, барионного (светящегося), вещества и около 10 г темной массы. Вблизи Земли-Луны (и вообще в Солнечной системе) плотность обычного вещества в миллионы раз больше. Но в целом Вселенная - это главным образом пустота (а лучше сказать – вакуум).

На сцену выходит вакуум

В конце ХХ века считалось, что в формировании Вселенной принимали участие две гигантские силы. Согласно этим представлениям, первой был Большой взрыв с невообразимо быстрым расширением на ранней стадии. Затем энергия и масса стали конденсироваться в элементарные частицы, атомы, звезды и галактики, удалявшиеся друг от друга с большой скоростью (по-видимому, это и есть скорость расширения самого пространства, хотя с этим понятием возникает путаница). Но вторая сила, их взаимное тяготение, поглощала кинетическую энергию разлета, постепенно замедляя движение. Выяснение характера замедления и должно было стать ответом на предлагаемые сценарии дальнейшего развития событий: остановится ли оно когда-нибудь и пойдет вспять, или тяготения недостаточно, и расширение, замедляясь, будет продолжаться вечно. Разбросанные в вакууме Вселенной вспышки сверхновых в удаленных на разные расстояния галактиках, как надеялись ученые, дадут наконец ответ. И ответы действительно были получены. Только совсем не те, что ожидались. В дело вмешался вакуум, который, скорее всего, и определяет судьбу Вселенной и даже, возможно, ее отдаленную катастрофу.

Физики и раньше считали, что вакуум космического пространства - самый сложный объект природы. Но уже 100 лет экспериментаторы никак не могут к нему подступиться, хотя он в их распоряжении в неограниченном количестве. На свойствах вакуума построена вся радиосвязь, от космических аппаратов до телевидения и сотовых телефонов. Но это лишь одно из многих его свойств. Квантовая теория показывает, что вакуум как бы кипит элементарными частицами, которые парами частица-античастица (например, электрон-позитрон) на мгновение появляются на его «поверхности» (поверхности чего?) и тут же ныряют обратно. Эти пары называются виртуальными; они вездесущи. Ими объясняются даже некоторые особенности спектра водорода. При определенных условиях физикам удается их «поймать». (В те «урожайные» на физические открытия десятилетия начала ХХ века, в 1928 году, Поль Дирак выдвинул гипотезу о бесконечном «море» провалившихся куда-то электронов. «Море» провалившихся электронов имеет бесконечную, но отрицательную энергию. Пары электрон-позитрон связаны именно с морем Дирака.)

Возвращение лямбда-члена

Виртуальные частицы обладают некоторой энергией. На первый взгляд, исходя из интуитивных представлений, о какой энергии пустоты можно говорить? Но квантовая механика не в ладу с нашей интуицией. На этот раз она начала игры с лямбда-членом, который в пору своего возникновения в работе Эйнштейна никакого отношения к квантовой механике не имел. (Квантовую механику Эйнштейн «не уважал», считая ее лишь фасадом чего-то скрытого, а про ее вероятностные законы говорил, что «не верит, что Бог играет в кости»). Но после десятилетий забвения лямбда-члена, отвергнутого самим автором, физики вновь вернулись к нему. В конце 60-х годов энергия пустоты вышла в ряд важнейших проблем теоретической физики. На Московском астрофизическом семинаре космологическая постоянная, греческая «лямбда», постоянно возникала на доске, а переполненная аудитория внимала, затаив дыхание, парадоксальным идеям, которые ей блистательно излагали Яков Борисович Зельдович, Иосиф Самуилович Шкловский, Андрей Дмитриевич Сахаров и другие, уже покинувшие нас корифеи. Общая теория относительности требует, чтобы в качестве источников гравитации рассматривались все формы энергии, включая энергию пустоты. В 1967 году Зельдович провел первые расчеты плотности энергии квантового вакуума и нашел, что ей соответствует лямбда-член невообразимой величины. В 1967 и 1968 годах он опубликовал работы, в которых показал, что лямбда-член, или космологическая постоянная, – это не кривизна мира, а плотность энергии вакуума. Космологическая постоянная становилась темой номер один. Теоретики снова и снова обращались к плотности энергии вакуума. Сказать, что их результаты кажутся абсурдными, – слишком мягко. Расчеты показывали, что энергия пустого пространства превосходит ВСЮ энергию Вселенной (если оценить ее с помощью знаменитого «эм-цэ-квадрат»), нет, не в миллиарды, не в триллионы – в единицу со 120 нулями раз. При некоторых (условных) допущениях можно ввести ограничение, и число нулей снижается до 55, от чего не легче. Если допустить, что столь высокая плотность энергии вакуума реальна, она мгновенно раздробила бы и разбросала все вещество Вселенной.

Эксперимент. Открытие всемирного антитяготения

Рис. 7. Наблюдения очень далеких сверхновых типа Ia. По горизонтали отложено красное смещение z, по вертикали — разность между теоретической яркостью m и реально наблюдаемой M. На врезке — далекая галактика и её сверхновая, которая светила всего один месяц миллиард лет назад. Из-за большого красного смещения и сверхновая, и сама галактика имеют красный цвет.

Пока теоретики бились над немыслимой плотностью энергии вакуума, техника эксперимента достигла такого состояния, которое позволило провести измерения яркости сверхновых, расположенных на полпути к горизонту Вселенной, о чем уже говорилось выше. Результаты наблюдений очень далеких сверхновых показаны на рис. 7. По горизонтали отложено красное смещение z, которое просто равно относительной величине смещения длин волн спектральных линий сверхновой. Если z = 0,5, это соответствует примерно 1/3 расстояния до горизонта Вселенной; z = 1 – Вселенная в возрасте 6 миллиардов лет; z = 6 – молодая Вселенная, 1 миллиард лет. По вертикали показана разность между теоретической яркостью сверхновой в пустом пространстве и реально наблюдаемой ее яркостью. Как уже говорилось, далекие галактики предстают такими, какими они были миллиарды лет назад. Соответственно такими тогда были и свойства пространства, в котором они находились. Если с тех пор расширение замедлилось, это должно быть видно в измерениях. Что же показал эксперимент? Уже при z = 0,5 яркость сверхновой оказывается на 25% меньше теоретической. Но при z = 1 вместо уменьшения яркость возрастает. Кривая на рис. 7, с которой хорошо согласуются измерения, представляет теоретическую модель. (В ней соотношение плотности энергии вакуума и вещества составляет 0,7 к 0,3.) Выводы получаются такими. Величина красного смещения z = 1 – это то время, до которого все шло примерно так, как предсказывала теория: скорость разбегания галактик под действием всемирного тяготения постепенно замедлялась. Вплоть до возраста 7 миллиардов лет движением галактик управляла материя через гравитацию. Но дальше в их движении произошли изменения. Вместо замедления галактики стали УСКОРЯТЬСЯ, причем их ускорение экспоненциально нарастает в течение последних 5 миллиардов лет. Всемирное притяжение сменилось всемирным отталкиванием, или антигравитацией! Мы живем примерно в середине периода, когда роль темной массы (вместе с обычным веществом) сменилась ролью темной энергии. При возрасте 7 миллиардов лет их отношение было 10:1. Через 14 миллиардов лет отношение станет обратным, 1:10 (или 10: 1, но уже в пользу темной энергии). Свойства антигравитации удивительны. Нам представляется естественным, что путешественник, который отправился из пункта А в пункт Б, удаляясь от А, приближается к Б. Но путешественники на межгалактическом корабле отдаленного будущего смогут увидеть, что антигравитация удаляет от них все пункты одновременно.