научная статья по теме ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ В БЛИЖНЕЙ ВСЕЛЕННОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ В БЛИЖНЕЙ ВСЕЛЕННОЙ»

Темная энергия в ближней Вселенной

И.Д.Караченцев, А.Д.Чернин

лет назад стало извест-1(1 но, что все мировое Л. пространство заполнено невидимой космической средой, получившей название «темная энергия». На нее приходится приблизительно 3/4 всей энергии (и массы) наблюдаемой Вселенной. Темная энергия создает всемирное антитяготение и заставляет галактики удаляться друг от друга с возрастающими скоростями. Впервые эффект антитяготения заметили на самых далеких космологических расстояниях, измеряемых миллиардами световых лет. Но темная энергия проявляет себя и на относительно малых расстояниях, неподалеку от нашей Галактики Млечный Путь — это показали наблюдения ближней Вселенной, которые ведутся с помощью космического телескопа «Хаббл» (рис.1).

Игорь Дмитриевич Караченцев, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией внегалактической астрономии и космологии Специальной астрофизической обсерватории РАН. Область научных интересов — наблюдательная космология.

Артур Давидович Чернин, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга МГУ. Работы относятся к космологии и теоретической астрофизике.

Четыре открытия

Космология — наука наблюдательная; она строится на основе надежных астрономических сведений о реальном мире. Четыре крупнейших наблюдательных открытия прошлого века определили лицо науки о Вселенной в первом десятилетии века XXI.

Первое из этих открытий было сделано В.Слайфером и Э.Хаб-блом: в 1917—1929 гг. они обнаружили, что галактики не стоят на месте, а движутся, удаляясь от

© Караченцев И.Д., Чернин А.Д., 2008

нас и друг от друга. Разбегание галактик наблюдается сейчас на всех пространственных масштабах — от близкой окрестности нашей Галактики и до границ видимой Вселенной. Это самый грандиозный по пространственному масштабу феномен природы. О нем говорят как об общем расширении Вселенной.

Возможность расширения Вселенной была предсказана теоретически А.А.Фридманом в 1922—1924 гг. В его космологической теории принимается, что распределение вещества во

Вселенной однородно. Теория говорит, что в однородном расширяющемся мире наблюдаемые скорости удаления галактик должны быть прямо пропорциональны расстояниям до них. Эта зависимость действительно была найдена в 1929 г. в астрономических наблюдениях Хаббла (рис.2); ее называют законом Хаббла.

Второе из крупнейших открытий в космологии — обнаружение темной материи. Уже в 1932 г. Ф.Цвикки заметил признаки существования в природе

Рис.1. Космический телескоп «Хаббл» — исключительно эффективный астрономический инструмент, позволивший обнаружить темную энергию у границ видимой Вселенной. Он служит также для изучения ближней Вселенной; полученные с его помощью результаты дают наблюдательные указания на присутствие темной энергии в окрестностях Млечного Пути.

Рис.2. Оригинальная хаббловская диаграмма: зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее. Точками показаны данные для 24 индивидуальных галактик, кружками — средние данные для нескольких групп галактик; для тех и других проведены свои линии по методу наименьших квадратов отклонения. Видно, что скорости прямо пропорциональны расстояниям (закон Хаббла). Правда, расстояния у Хаббла были определены в 1929 г. с немалой систематической ошибкой: все они на самом деле в 8—10 (!) раз больше, чем на рисунке. Но после исправления ошибки (общей для всех галактик) закон пропорциональности скорости расстоянию остается в силе.

невидимой субстанции, которая проявляет себя лишь своим тяготением. Но убедительные наблюдательные доказательства предоставили работы Я.Эйнасто, Дж.Острайкера, Дж.Пиблса, В.Ру-бин и других астрономов в середине 1970-х годов. Выяснилось, что темная материя образует невидимые гало, в которые погружены отдельные галактики, их группы и скопления. В этих астрономических системах темной материи в 5—6 раз больше по массе, чем «обычного» вещества. Обычное вещество, из которого состоят Земля (и все, что на ней), планеты, звезды и другие знакомые тела природы, — это протоны, нейтроны и электроны; за этой формой энергии/массы закрепилось название «барионы» (хотя электрон и не является тяжелой частицей).

Судя по всему, темная материя состоит не из барионов, а из не известных до сих пор элементарных частиц, которые — в отличие от протонов и нейтронов — не участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Что это за частицы, еще предстоит выяснить в лабораторных и наблюдательных исследованиях. Частицы темной материи определенно должны быть нерелятивистскими и стабильными или по крайней мере долгоживущи-ми. По последним данным, в общем балансе энергии/массы в наблюдаемой Вселенной на темную материю приходится приблизительно 20%, тогда как на барионы — около 4%, а на темную энергию (как уже упоминалось) — приблизительно 75%.

Третье в хронологическом порядке крупнейшее открытие в космологии — регистрация реликтового излучения, равномерно заполняющего все пространство мира. Это было сделано в 1965 г. А.Пензиасом и Р.Вил-соном (Нобелевская премия 1978 г.). Реликтовое («остаточное») излучение представляет собой газ фотонов, сохранившихся во Вселенной с тех далеких времен, когда все ее вещество было очень плотным и горя-

чим. Существование такого излучения было предсказано в 1940—1950-е годах — это заслуга Г.А.Гамова, некогда студента профессора Фридмана в Петербургском (тогда Ленинградском) университете. На реликтовое излучение приходится несколько сотых долей процента от полной энергии/массы Вселенной в ее современном состоянии.

Наконец, четвертое и самое свежее событие в космологии произошло в 1998—1999 гг.: это открытие темной энергии и всемирного антитяготения. Оно было сделано двумя большими группами астрономов, одной из которых руководил Б.Шмидт, а другой — С.Перлматтер. В их наблюдениях изучались вспышки далеких сверхновых звезд. По данным о видимой яркости этих объектов и о расстоянии до них (точнее, о соответствующем красном смещении) можно изучать движение галактик, в которых происходят эти вспышки. Сверхновые в максимуме их блеска столь ярки, что могут быть зарегистрированы на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Речь идет о расстояниях в миллиарды световых лет, сравнимых с расстоянием до границ видимой Вселенной; на этих пространственных масштабах Вселенная определенно является однородной и изотропной, как это и предполагается в теории Фридмана. В наблюдениях использовались самые мощные современные астрономические инструменты — в первую очередь космический телескоп «Хаббл», а также и крупнейшие наземные рефлекторы. Это позволило обнаружить и измерить тонкий релятивистский эффект, присутствующий в зависимости видимой яркости источника от расстояния (красного смещения). Данный эффект предсказывается теорией распространения света в расширяющейся Вселенной и — что интереснее всего — его величина определяется ускорением, с которым движется источник. Эффект становится до-

ступным измерению только на очень больших расстояниях (где красное смещение приближается к единице). Таким путем была найдена величина ускорения и, прежде всего, установлен его знак: ускорение оказалось положительным. Значит, скорости разбегания удаляющихся галактик растут со временем. Отсюда немедленно следует вывод о том, что движением галактик управляет не их взаимное тяготение (как ранее считалось), а сила противоположного знака, антитяготение, которое сильнее тяготения в нынешнем состоянии Вселенной. Антитяготение создается не галактиками, а темной энергией, в которую погружены все тела природы. Подробнее об открытии антитяготения и темной энергии рассказано, например, в научно-популярной книге [1].

Здесь напомним только, что возможность космического антитяготения предвидел А.Эйнштейн. В 1915 г. им была создана общая теория относительности, составляющая основу основ современной космологии. Двумя годами позднее, в 1917 г., Эйнштейн выдвинул идею антитяготения как всеобщего космического отталкивания. Эта идея не вытекала сама по себе из новой теории пространства, времени и тяготения. Тем не менее она органично и в исключительно экономной математической форме была включена в структуру общей теории относительности, в ее базовые уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, одним числом, которое получило название космологической постоянной. Ее обозначают обычно греческой буквой Л (лямбда).

Стандартная модель космологии

В итоге этих, а также и ряда других ценных наблюдательных и теоретических исследований

разных лет в наши дни сформировалась новая связная и непротиворечивая картина мира, о которой говорят как о современной «стандартной модели» космологии. Стандартная модель следует эйнштейновской идее о космологической постоянной; в ней принимается, что космическое отталкивание создается темной энергией, равномерно заполняющей все мировое пространство.

Макроскопические свойства темной энергии (т.е. ее свойства как сплошной среды) могут быть с большой полнотой описаны в духе идеи Эйнштейна. Главное из них состоит в том, что плотность темной энергии есть константа, прямо определяющаяся космологической постоянной Л: она всюду одинакова в пространстве и не меняется со временем (и притом в любой системе отсчета). По самым свежим наблюдательным данным, плотность темной энергии оценивается величиной (0.75±0.05)-10-29 г/см3. Чтобы перейти здесь от массы к энергии на единицу объема, достаточно — по знаменитой формуле Эйнштейна — умножить эту величину на квадрат скорости света. Возможно, эту величину удастся представить себе нагляднее, если измерять плотность не в граммах, а в единицах массы атома водорода («1-10-24 г); тогда окажется, что плотность темной энергии эквивалентна наличию примерно пяти атомов водорода в одном кубическом метре пространства.

Стандартная модель полностью согласуется со всем комплексом сегодняшних данных о Вселенной. Она выглядит при этом простой и естественной. Тем не менее в космологии активно обсужда

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком