АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 89, M 9, с. 723-735
УДК 524.7+524.77+524.88
ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ В ШЕСТИ БЛИЗКИХ ПОТОКАХ ГАЛАКТИК: СИНТЕТИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ И АВТОМОДЕЛЬНОСТЬ
© 2012 г. А. Д. Чернин1*, П. Теерикорпи2, В. П. Долгачев1, А. А. Кантер1, Л. М. Доможилова1, М. Ю. Валтонен2, Дж. Дж. Бёрд3
1Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
2Обсерватория Туорла, Университет Турку, Турку, Финляндия 3Университет Алабамы, Тускалуза, США Поступила в редакцию 15.03.2012 г.; принята в печать 13.04.2012 г.
Потоки разбегания галактик наблюдаются вокруг групп галактик в пространственном масштабе Мпк и вокруг скоплений галактик в масштабе ~10 Мпк. По данным наблюдений на Космическом телескопе "Хаббл" построены две синтетические фазовые диаграммы "скорость—расстояние": одна для четырех потоков масштаба групп и другая для двух потоков масштаба скоплений. Показано, что в обоих случаях антитяготение, создаваемое общим фоном темной энергии, сильнее тяготения, создаваемого веществом в объеме потока. Антитяготение ускоряет потоки и вносит в них общий для всех масштабов фазовый аттрактор, отвечающий линейной зависимости скорости от расстояния (локальный закон Хаббла). В результате пучок фазовых траекторий потока оказывается ориентированным, в основном, вдоль траектории аттрактора. Сравнение двух диаграмм обнаруживает универсальный автомодельный характер потоков: фазовая структура потока как целого в безразмерных переменных практически не зависит от его физического пространственного масштаба, который различается при переходе от одной диаграммы к другой примерно в 10 раз.
1. ВВЕДЕНИЕ
Темная энергия открыта в 1998—1999 гг. по наблюдениям на рекордно больших расстояниях ~10 Гпк [1, 2], сравнимых с радиусом видимой Вселенной. В отличие от известных ранее видов космической энергии (барионов, темной материи, реликтового излучения), темная энергия создает не тяготение, а всеобщее отталкивание, или антитяготение. При этом в современную эпоху космологической эволюции антитяготение сильнее тяготения в масштабе Вселенной как целого. Последнее непосредственно проявляется в том, что глобальное космологическое расширение происходит с ускорением, как это и было впервые установлено в работах [1,2]. Физическая природа темной энергии и ее микроскопическая структура неизвестны; это одна из острых проблем современной фундаментальной науки.
В 2000 г. было показано [3—5], что эффективное изучение темной энергии возможно также и в близкой окрестности нашей Галактики. На расстояниях ~ 1—3 Мпк от нас наблюдаются два десятка
E-mail: arthur.chernin@gmail.com
галактик-карликов, которые — все без исключения — удаляются от Галактики [6, 7]. Это Местный поток разбегания галактик, известный еще со времен Слайфера и Хаббла. Он начинается у внешних границ Местной группы галактик, в которую вместе с Галактикой входят еще столь же массивная галактика М31 и около полусотни галактик меньших масс. Если темная энергия заполняет все пространство Вселенной, то в области Местной группы и Местного потока она должна создавать локальное поле антитяготения. Оказывается, что в области потока антитяготение сильнее тяготения, создаваемого "обычным" веществом [3—5]. Таким образом, в Местном потоке динамические эффекты темной энергии столь же сильны, как и у горизонта Вселенной.
Наблюдения на Космическом телескопе "Хаббл" (HST), 6-м телескопе БТА САО и других крупных телескопах, выполненные в последние годы И.Д. Караченцевым c сотрудниками [7—19], показали, что расширяющиеся потоки галактик существуют вокруг ряда близких групп и скоплений галактик. Эти локальные потоки разбегания имеют пространственный масштаб Мпк вокруг групп
галактик и ~10 Мпк вокруг скоплений галактик. Они составляют особый класс движений в общем многообразии потоков, существующих внутри космической ячейки однородности на расстояниях до 100—300 Мпк. Характерным отличительным свойством потоков разбегания является довольно высокая степень упорядоченности и кинематической регулярности: радиальные скорости галактик типичного потока близко следуют линейной зависимости от расстояния (закон Хаббла) V = ИК, где V — скорость относительно центра группы или скопления, К — расстояние галактики от центра. При этом темп разбегания, измеряемый "локальной постоянной Хаббла" И, близок по численному значению к глобальной космологической постоянной Хаббла И0 ~ 70 км/с Мпк. Эти и другие особенности потоков разбегания хорошо описываются и объясняются разработанной нами теорией локальных динамических эффектов темной энергии [3—5, 20—30]. Данные наблюдений в комбинации с теорией определенно указывают на то, что ключевая роль в динамике потоков принадлежит антитяготению, создаваемому общим фоном темной энергии [3—5, 20—30]. Наблюдения и теория позволили получить первую независимую эмпирическую оценку плотности темной энергии в масштабе ~1—10 Мпк. Как оказалось, глобальная и локальная плотности темной энергии равны друг другу в пределах ошибки измерения [4, 20—32]. Это дает новый веский наблюдательный аргумент в пользу интерпретации темной энергии в духе эйнштейновской идеи космологической постоянной.
В настоящей работе мы развиваем наш подход к изучению локальных динамических эффектов темной энергии и, следуя методу, впервые предложенному в работе Теерикорпи и др. [28], строим на основе данных [7—19] две синтетические фазовые диаграммы "скорость—расстояние": одну для четырех потоков вокруг групп и другую для двух потоков вокруг скоплений галактик. Обе диаграммы демонстрирует кинематическую структуру исследуемых потоков на тех расстояниях, где, согласно теории, антитяготение темной энергии должно быть сильнее собственного тяготения галактик и их систем. Сравнение двух диаграмм, построенных в безразмерных переменных, указывает на приближенное подобие потоков, различающихся на порядок величины по пространственному масштабу. Это подобие обязано асимптотической автомодельности движений, ускоряющихся в поле космического антитяготения.
В разд. 2 приводятся основные теоретические соотношения для описания локальных динамических эффектов темной энергии; в разд. 3 дается краткая сводка наблюдательных данных о 6 близких потоках разбегания; в разд. 4 строятся и обсуждаются синтетические фазовые диаграммы для
наблюдаемых потоков; результаты суммируются в разд. 5.
2. ПОТОК НА ФОНЕ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ: МОДЕЛЬ
В стандартной космологической модели темная энергия представлена эйнштейновской космологической постоянной Л. В этой модели (в англоязычной литературе — ЛCDM cosmology, CDM = = Cold Dark Matter) плотность темной энергии выражается через космологическую постоянную: с2
Pv = А (здесь G — ньютонова гравитационная 8nG
постоянная, с — скорость света; далее считаем с = = 1). На макроскопическом уровне темная энергия описывается как особого рода непрерывная среда, которая равномерно заполняет все пространство мира. Эта среда обладает положительной плотностью и отрицательным давлением Py; давление темной энергии связано с ее плотностью уравнением состояния py = —py.
При таком уравнении состоянии темная энергия как макроскопическая среда обладает механическими свойствами вакуума [33]: (1) ее плотность идеально однородна в пространстве и не зависит от времени в любой системе отсчета; (2) движение и покой относительно нее неразличимы; (3) ее плотность представляет собой абсолютный и неизменный минимум энергии в единице объема пространства. Из уравнения состояния темной энергии вытекает также, что эффективная гра-витирующая плотность темной энергии отрицательна: peff = py + 3py/с2 = —2py < 0. Отрицательная эффективная плотность означает "отрицательное" тяготение, т.е. антитяготение. Согласно недавним наблюдательным данным [34], отношение py /py = —1 выполняется с точностью не хуже 10%, а плотность темной энергии составляет py = (0.72 ± 0.03) х 1029 г см"3. Интерпретация темной энергии в духе эйнштейновской космологической постоянной, принятая в стандартной модели, согласуется со всем комплексом современных астрономических сведений о реальном мире.
Если темная энергия действительно эквивалентна космологической постоянной, то она должна присутствовать не только в глобальном космологическом масштабе, где она была впервые обнаружена [1, 2], но также и во всех других масштабах — фактически всюду в пространстве. Как уже было сказано (см. разд. 1), темная энергия доминирует в глобальном масштабе. Что же касается ее локальных динамических эффектов, то, как оказывается, наименьший астрономический масштаб, в котором антитяготение темной энергии способно эффективно проявить себя, — это масштаб порядка
мегапарсека [3—5]. Так, в окрестностях нашей Галактики антитяготение доминирует на расстояниях 1—3 Мпк от нас. Здесь динамические эффекты темной энергии столь же сильны, как и на самых больших расстояниях в наблюдаемой Вселенной.
Локальные эффекты антитяготения могут быть количественно описаны в рамках ньютоновой механики, причем релятивистские свойства темной энергии и, в частности, создаваемое ею антитяготение, допускают адекватную формулировку на языке классических сил и потенциалов (см., например, [4, 30]). Рассмотрим простейшую модель, в которой группа галактик представляется гравитационно-связанной квазистационарной сферической системой, а поток разбегания вокруг нее образуют галактики, считающиеся "пробными частицами". Группа и поток погружены в темную энергию, плотность которой однородна в пространстве и постоянна во времени. Эта модель — локальный эквивалент глобальной космологической модели, и она обнаруживает как локальную специфику, так и общие черты с динамикой мира как целого.
В локальной модели на каждую из пробных частиц потока действуют две силы: тяготение центральной массы и антитяготение фона темной энергии. В системе отсчета, связанной с барицентром группы, сила тяготения (в расчете на единицу массы частицы) дается ньютоновым законом:
Fn = -GM/R2
(1)
где С — постоянная тяготения, М — величина центральной массы, К — расстояние частицы от центра массы.
В той же системе
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.