Распределение материи в Метагалактике

 

Вспышка очень далекой сверхновой звезды

Темную энергию открыли при наблюдениях далеких сверхновых звезд. Вспышки сверхновых можно наблюдать на очень больших космических расстояниях, а изменение их яркости позволяет определить расстояния до них. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, чем следует из стандартной космологической теории. Но это возможно тогда, когда расширение Вселенной происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Причину этого таинственного эффекта ускоренного разлета нашего мира и связывают с загадочной темной энергией.

 

Влияние темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

В последние годы появились данные, что сумма темной и обычной материи составляет только треть от всей массы Вселенной. С недостающими семьюдесятью процентами Метагалактики связали так называемый лямбда‑член из уравнений Эйнштейна, долгое время считавшийся главной космологической ошибкой гениального ученого. Он и представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии. В то же время выяснилась еще более поразительная вещь – темная энергия действует как антигравитация, заставляя Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

 

Далекие галактики, видимые сквозь гравитационную линзу

 

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

 

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш мир как целое к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не всегда предполагает равновесие сил – если речь идет о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным – в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными – благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды, подобно тому как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах – это не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной. Еще одно направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до «Страшного космического суда».

Парадоксальные и даже в чем‑то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности – квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие‑либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить в лаборатории хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать – даже странной для физики.

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хотя и детально не объясняет природу темной энергии, но само наличие схожей энергетической субстанции предсказывала еще несколько десятков лет назад. Это инфляционный сценарий расширения Вселенной, о котором мы уже рассказывали. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза получила существенные подтверждения, а некоторые астрофизики считают, что она вполне способна произвести своеобразный переворот в космологии. Суть инфляционного сценария заключается в следующем. Кроме колебаний напряженности электромагнитных полей, существуют также флуктуации энергии гравитационного поля. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их по идее можно было бы заметить, анализируя реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы. Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего‑то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии – нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше, ведь мы видим только меньше одной сотой ее части.

Если считать, что главной причиной ускорения расширения пространства‑времени является темная энергия, то будущее нашего мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики уйдут за горизонт Метагалактики и астрономы будущего никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. Но если темная энергия нестабильна, то возникают и более оптимистичные варианты будущего.

Разумеется, современным футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие‑либо научные прогнозы. Тем не менее можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение. К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в Т‑агрегатах и тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для плотности темной энергии во Вселенной, обеспечивающей ее ускоренное расширение: если темная энергия распределена равномерно, получается совершенно ничтожная величина, близкая к 10‑29 г/см3. Для обычного вещества такая плотность соответствует всего лишь десятку атомов в одном кубическом метре. Даже сверхразреженный межзвездный газ в несколько раз плотнее. Так что если этот путь к созданию машины времени и может стать реальным, то очень и очень не скоро.

Астрономам обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков‑теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего мира состоит из обычного вещества, включающего известные и неизвестные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.