Темная энергия. Темная энергия во вселенной

Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!

Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Сгустки размером с галактику

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Подходы и методы исследования частиц темной материи

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.

Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?

В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.

Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.

Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.

Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17

Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.

Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.

Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.

Невидимая темная материя и темная энергия

Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия - это нечто реальное?

Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.

Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.

Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.

Темная материя

Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:

Если говорить о материи, то темная безусловно лидирует по процентному соотношению. Но в целом она занимает лишь четверть всего. Вселенная же изобилует темной энергией .

С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. Исследователи полагали, что в итоге начальная энергия закончится и она замедлит свой ход. Но далекие сверхновые демонстрируют, что пространство не останавливается, а набирает скорость. Все это возможно только в том случае, если количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.

Темная материя и темная энергия: разъяснения загадки

Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.

Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.

Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.

На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении

Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.

Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.

Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.

Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.

Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:

• Большой адронный коллайдер.
• инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
• эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
• косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.

Методы поиска темной материи

Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:

Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии

Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.

Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.

Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).

Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.

Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.

Расширяющаяся Вселенная и темная энергия

Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.

Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.

В последнее время в космологии - науке, которая изучает структуру и эволюцию Вселенной, - стал широко применяться термин «темная энергия», вызывающий у людей, далеких от этих исследований, по меньшей мере легкое недоумение. Часто в паре с ним выступает и другой «мрачный» термин - «темная материя», а также упоминается, что, по данным наблюдений, эти две субстанции обеспечивают 95% полной плотности Вселенной. Прольем же луч света на это «царство мрака».

В научной литературе термин «темная энергия» появился в конце прошлого века для обозначения физической среды, заполняющей всю Вселенную. В отличие от различных видов вещества и излучения, от которых можно (хотя бы теоретически) полностью очистить или экранировать некоторый объем, темная энергия в современной Вселенной неразрывно связана с каждым кубическим сантиметром пространства. С некоторой натяжкой можно сказать, что само пространство обладает массой и участвует в гравитационном взаимодействии. (Напомним, что согласно известной формуле E = mc 2 энергия эквивалентна массе.)

Первое слово в термине «темная энергия» указывает на то, что эта форма материи не испускает и не поглощает никакого электромагнитного излучения, в частности света. С обычным веществом она взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту среду структурированной, то есть состоящей из частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их скоплений. Иными словами, плотность темной энергии, в отличие от обычного и темного вещества, одинакова во всех точках пространства.

Во избежание путаницы сразу отметим, что мы исходим из материалистического представления об окружающем нас мире, а значит, все, что заполняет Вселенную, - это материя. Если материя структурирована, ее называют веществом, а если нет, как, например, поле, то - энергией. Вещество, в свою очередь, делят на обычное и темное, ориентируясь на то, взаимодействует ли оно с электромагнитным излучением. Правда, по сложившейся в космологии традиции темное вещество принято называть «темной материей». Энергия тоже делится на два типа. Один из них - это как раз излучение, еще одна субстанция, наполняющая Вселенную. Когда-то именно излучение определяло эволюцию нашего мира, но сейчас его роль упала почти до абсолютного нуля, точнее до 3 градусов Кельвина - температуры так называемого реликтового микроволнового излучения, идущего в космосе со всех сторон. Это остаток (реликт) горячей молодости нашей Вселенной. А вот о другом типе энергии, который не взаимодействует ни с веществом, ни с излучением и проявляет себя исключительно гравитационно, мы бы могли никогда не узнать, если бы не исследования в области космологии.

С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не менее достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц, например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.

Самая большая ошибка Эйнштейна

Вопрос о природе темной энергии еще туманнее. Поэтому, как часто бывает в науке, отвечать на него лучше, описывая предысторию вопроса. Она начинается в памятном для нашей страны 1917 году, когда создатель общей теории относительности Альберт Эйнштейн , публикуя решение задачи об эволюции Вселенной, ввел в научный оборот понятие космологической постоянной. В своих уравнениях, описывающих свойства гравитации, он обозначил ее греческой буквой «лямбда» (Λ). Так она получила свое второе название - лямбда-член. Назначение космологической постоянной состояло в том, чтобы сделать Вселенную стационарной, то есть неизменной и вечной. Без лямбда-члена уравнения общей теории относительности предсказывали, что Вселенная должна быть неустойчивой, как воздушный шарик, из которого вдруг исчез весь воздух. Всерьез изучать такую неустойчивую Вселенную Эйнштейн не стал, а ограничился тем, что восстановил равновесие введением космологической постоянной.

Однако позднее, в 1922-1924 годах, наш выдающийся соотечественник Александр Фридман показал, что в судьбе Вселенной космологическая постоянная не может играть роль «стабилизатора», и рискнул рассмотреть неустойчивые модели Вселенной. В результате ему удалось найти еще не известные к тому времени нестационарные решения уравнений Эйнштейна, в которых Вселенная как целое сжималась или расширялась.

В те годы космология была сугубо умозрительной наукой, пытавшейся чисто теоретически применить физические уравнения ко Вселенной как целому. Поэтому решения Фридмана поначалу были восприняты - в том числе и самим Эйнштейном - как математическое упражнение. Вспомнили о нем после открытия разбегания галактик в 1929 году. Фридмановские решения прекрасно подошли для описания наблюдений и стали важнейшей и широко используемой космологической моделью. А Эйнштейн позднее назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной ошибкой».

Далекие сверхновые

Постепенно наблюдательная база космологии становилась все более мощной, а исследователи учились не только задавать вопросы природе, но и получать на них ответы. И вместе с новыми результатами росло и число аргументов в пользу реального существования «самой большой научной ошибки» Эйнштейна. В полный голос об этом заговорили в 1998 году после наблюдения далеких сверхновых звезд, которые указывали, что расширение Вселенной ускоряется. Это означало, что во Вселенной действует некая расталкивающая сила, а значит, и соответствующая ей энергия, похожая по своим проявлениям на эффект от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна. По сути, лямбда-член представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии.

Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение подчиняется закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга, причем скорость, определяемая по красному смещению в спектрах галактик, прямо пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени закон Хаббла был непосредственно проверен лишь на относительно небольших расстояниях - тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как расширялась Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно было судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой проверкой закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX века, когда появился способ определять расстояния до далеких галактик по вспыхивающим в них сверхновым звездам.

Вспышка сверхновой - это момент в жизни массивной звезды, когда она испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia. Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель, в частности подходящую величину лямбда-члена (плотности темной энергии).

Однако несмотря на простоту и ясность этого метода, он сталкивается с рядом серьезных трудностей. Прежде всего отсутствие детальной теории взрыва cверхновых типа Ia делает зыбким их статус стандартной свечи. На характер взрыва, а значит, и на светимость сверхновой могут влиять скорость вращения белого карлика, химический состав его ядра, количество водорода и гелия, перетекшего на него с соседней звезды. Как все это сказывается на кривых блеска, пока достоверно неизвестно. Наконец, сверхновые вспыхивают не в пустом пространстве, а в галактиках, и свет вспышки может, к примеру, оказаться ослаблен случайным газопылевым облаком, встретившимся на пути к Земле. Все это ставит под сомнение возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. И если бы в пользу существования темной энергии был только этот довод, данная статья вряд ли была бы написана. Так что хотя «аргумент сверхновых» спровоцировал широкую дискуссию о темной энергии (и даже появление самого этого термина), уверенность космологов в ее существовании опирается на другие, более убедительные аргументы. К сожалению, они не столь просты, и поэтому описать их можно лишь в самых общих чертах.

Краткая история времен

По современным представлениям, рождение Вселенной должно описываться в терминах еще не созданной квантовой теории гравитации. Понятие «возраст Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше 10-43 секунд. На меньших масштабах уже нельзя говорить о привычном нам линейном течении времени. Топологические свойства пространства тоже становятся нестабильными. По-видимому, в малых масштабах пространство-время заполнено микроскопическими «кротовыми норами» - своего рода тоннелями, соединяющими разнесенные области Вселенной. Впрочем, о расстояниях или порядке следования событий говорить тоже невозможно. В научной литературе такое состояние пространства-времени с флуктуирующей топологией называют квантовой пеной. По неизвестным пока причинам, возможно, из-за квантовой флуктуации, в пространстве Вселенной возникает физическое поле, которое в возрасте около 10-35 секунд заставляет Вселенную расширяться с колоссальным ускорением. Этот процесс называют инфляцией, а вызывающее его поле - инфлатоном. В отличие от экономики, где инфляция является неизбежным злом, с которым нужно бороться, в космологии инфляция, то есть экспоненциально быстрое увеличение Вселенной, - это благо. Именно ей мы обязаны тем, что Вселенная обрела большой размер и плоскую геометрию. В конце этой короткой эпохи ускоренного расширения запасенная в инфлатоне энергия порождает известную нам материю: разогретую до огромной температуры смесь излучения и массивных частиц, а также едва заметную на их фоне темную энергию. Можно сказать, что это и есть Большой взрыв. Космологи говорят об этом моменте, как о начале радиационно-доминированной эпохи в эволюции Вселенной, поскольку большая часть энергии в это время приходится на излучение. Однако расширение Вселенной продолжается (хотя теперь уже и без ускорения) и оно по-разному отражается на основных типах материи. Ничтожная плотность темной энергии со временем не меняется, плотность вещества падает обратно пропорционально объему Вселенной, а плотность излучения снижается еще быстрее. В итоге спустя 300 тысяч лет доминирующей формой материи во Вселенной становится вещество, большую часть которого составляет темная материя. С этого момента рост возмущений плотности вещества, едва тлевший на стадии доминирования излучения, становится достаточно быстрым, чтобы привести к образованию галактик, звезд и столь необходимых человечеству планет. Движущей силой этого процесса является гравитационная неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. Едва заметные неоднородности оставались еще с момента распада инфлатона, но пока во Вселенной доминировало излучение, оно мешало развитию неустойчивости.
Теперь основную роль начинает играть темная материя. Под действием собственной гравитации области повышенной плотности останавливаются в своем расширении и начинают сжиматься, в результате чего из темной материи образуются гравитационносвязанные системы, называемые гало. В гравитационном поле Вселенной образуются «ямы», в которые устремляется обычное вещество. Накапливаясь внутри гало, оно формирует галактики и их скопления. Этот процесс образования структур начался более 10 миллиардов лет назад и шел по нарастающей, пока не наступил последний перелом в эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет (это примерно половина нынешнего возраста Вселенной) плотность вещества, которая продолжала снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности темной энергии. Тем самым завершилась эпоха доминирования вещества, и теперь темная энергия контролирует эволюцию Вселенной. Какова бы ни была ее физическая природа, проявляется она в том, что космологическое расширение вновь, как в эпоху инфляции, начинает ускоряться, только на этот раз очень медленно. Но даже этого достаточно, чтобы затормозить формирование структур, а в будущем оно должно вовсе прекратиться: любые недостаточно плотные образования будут рассеиваться ускоряющимся расширением Вселенной. Временное «окно», в котором работает гравитационная неустойчивость и возникают галактики, захлопнется уже через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от природы темной энергии. Если это космологическая постоянная, то ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же темная энергия - это сверхслабое скалярное поле, то после того как оно достигнет состояния равновесия, расширение Вселенной станет замедляться, а возможно сменится сжатием. Пока физическая природа темной энергии неизвестна, все это не более чем умозрительные гипотезы. Таким образом, с определенностью сказать можно только одно: ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться еще несколько десятков миллиардов лет. За это время наш космический дом - галактика Млечный Путь - сольется со своей соседкой - Туманностью Андромеды (и большинством галактик-спутников меньшей массы, входящих в состав Местной Группы). Все прочие галактики улетят на большие расстояния, так что многие из них нельзя будет увидеть даже в самый мощный телескоп. Что касается реликтового излучения, которое приносит нам так много важнейшей информации о структуре Вселенной, то его температура упадет почти до нуля, и этот источник информации будет потерян. Человечество останется Робинзоном на острове с эфемерной перспективой обзавестись хотя бы Пятницей.

Крупномасштабная структура Вселенной

У космологов имеются два основных источника знаний о крупномасштабной структуре Вселенной. Прежде всего это распределение в окружающем нас пространстве светящейся материи, то есть галактик. Трехмерная карта показывает, в какие структуры - группы, скопления, сверхскопления - объединяются галактики и каковы характерные размеры, формы и численность этих образований. Тем самым становится понятно, как распределено вещество в современной Вселенной.

Другим источником информации служит распределение интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. Карта неба в микроволновом диапазоне несет информацию о распределении неоднородностей плотности в ранней Вселенной, когда ее возраст составлял около 300 тысяч лет - именно тогда вещество стало прозрачным для излучения. Угловые расстояния между пятнами на микроволновой карте говорят о размерах неоднородностей в то время, а перепады яркости (они, кстати, очень маленькие, порядка сотой доли процента) указывают на степень уплотнения зародышей будущих скоплений галактик. Тем самым у нас есть как бы два временных среза: структура Вселенной в моменты через 300 тысяч и 14 миллиардов лет после Большого взрыва .

Теория говорит о том, что характеристики наблюдаемых структур сильно зависят от того, какая часть материи во Вселенной приходится на вещество (обычное и темное). Расчеты, основанные на наблюдательных данных, показывают, что его доля составляет сегодня около 30% (из которых лишь 5% приходится на обычное вещество, состоящее из атомов). А значит, остальные 70% - это материя, не входящая ни в какие структуры, то есть темная энергия. Этот аргумент не столь прозрачен, поскольку за ним стоят сложные расчеты, описывающие образования структур во Вселенной. Тем не менее он действительно более сильный. Это можно проиллюстрировать такой аналогией. Представьте, что внеземная цивилизация стремится обнаружить разумную жизнь на Земле. Одна группа исследователей заметила идущее от нашей планеты мощное радиоизлучение, которое периодически изменяет частоту и интенсивность, и объясняет это работой электронного оборудования. Другая группа послала к Земле зонд и сфотографировала квадраты полей, линии дорог, узлы городов. Первый аргумент, конечно, проще, но второй - убедительнее.

Продолжая эту аналогию, можно сказать, что еще более наглядным свидетельством разумной жизни стало бы наблюдение за формированием перечисленных структур. Конечно, человеку пока не под силу в реальном времени наблюдать, как формируются скопления галактик. Тем не менее можно определить, как менялось их число по ходу эволюции Вселенной. Дело в том, что в силу конечности скорости света наблюдение объектов на больших расстояниях эквивалентно заглядыванию в прошлое.

Темп образования галактик и их скоплений определяется скоростью роста возмущений плотности, которая, в свою очередь, зависит от параметров космологической модели, в частности от соотношения вещества и темной энергии. Во Вселенной с большой долей темной энергии возмущения растут медленно, а значит, сегодня скоплений галактик должно быть ненамного больше, чем в прошлом, и с расстоянием их число будет убывать медленно. Напротив, во Вселенной без темной энергии количество скоплений довольно быстро сокращается с углублением в прошлое. Выяснив из наблюдений темп появления новых скоплений галактик, можно получить независимую оценку плотности темной энергии.

Есть и другие независимые наблюдательные аргументы, подтверждающие существование однородной среды, которая оказывает определяющее влияние на строение и эволюцию Вселенной. Можно сказать, что утверждение о существовании темной энергии стало итогом развития всей наблюдательной космологии ХХ века.

Вакуум и другие модели

Если в существовании темной энергии большинство космологов уже не сомневаются, то вот относительно ее природы ясности пока нет. Впрочем, физики не первый раз попадают в такое положение. Многие новые теории начинаются с феноменологии, то есть формального математического описания того или иного эффекта, а интуитивно понятные объяснения появляются намного позже. На сегодня, описывая физические свойства темной энергии, космологи произносят слова, которые для непосвященного больше похожи на заклинание: это среда, давление которой равно плотности энергии по величине, но противоположно по знаку. Если это странное соотношение подставить в уравнение Эйнштейна из общей теории относительности, то окажется, что такая среда гравитационно отталкивается от самой себя и, как следствие, ускоренно расширяется и ни за что не соберется ни в какие сгустки.

Нельзя сказать, что мы часто имеем дело с подобной материей. Однако именно так уже на протяжении многих лет физики описывают вакуум. По современным представлениям, элементарные частицы существуют не в пустом пространстве, а в особой среде - физическом вакууме, который как раз и определяет их свойства. Эта среда может находиться в различных состояниях, отличающихся плотностью запасенной энергии, и в разных видах вакуума элементарные частицы ведут себя по-разному.

Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено существование неустойчивого, более энергичного вакуума, который соответствует так называемому электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при энергиях частиц свыше 100 гигаэлектронвольт - это всего на порядок ниже предела возможностей современных ускорителей. Еще более энергичные виды вакуума предсказаны теоретически. Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не нулевой плотностью энергии, а как раз такой, которая дает нужное значение лямбда-члена в уравнении Эйнштейна.

Однако эта красивая идея, состоящая в том, чтобы приписать темную энергию вакууму, не вызывает восторга у исследователей, работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что такой разновидности вакуума должна соответствовать энергия частиц всего около тысячной доли электронвольта. Но этот энергетический диапазон, лежащий на границе между инфракрасным и радиоизлучением, уже давно вдоль и поперек изучен физиками, и ничего аномального там не обнаружено.

Поэтому исследователи склоняются к тому, что темная энергия - это проявление нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля. Эта идея аналогична той, что лежит в основе современной инфляционной космологии. Там тоже сверхбыстрое расширение молодой Вселенной происходит под действием так называемого скалярного поля, только его плотность энергии гораздо выше той, что ответственна за нынешнее неспешное ускорение в расширении Вселенной. Можно предположить, что поле, являющееся носителем темной энергии, осталось как реликт Большого взрыва и долгое время находилось в состоянии «спячки», пока длилось доминирование сначала излучения, а потом темной материи.

Отрицательное давление и гравитационное отталкивание

Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство - отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих гравитационных сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об антигравитации. В этом утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их последовательно.

Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как известно, связано с движением молекул. Ударясь о стенку сосуда, молекулы газа передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии.

Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по крайней мере, замедлять свое расширение, начавшееся в момент Большого взрыва. Но все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии слишком... велико.

Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает притяжение и ее собственной массы, и массы всего остального вещества. Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое, стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются его разрушением? Таковы свойства людей - они сопротивляются подавлению. Почему сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия - это не объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии.

Как взвесить структуру?

Темная энергия - важнейшее свидетельство существования явлений, которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств - важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.

Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати, поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься, постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать» взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он будет только уменьшаться.

Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно научиться «взвешивать» структуру Вселенной - галактики и их скопления - на разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты измерения - галактики - хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях. Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется ее гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик деформируются. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Измеряя возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее запланированы космические эксперименты - ведь надо достичь максимальной точности измерения.

Итак, мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо факта ее существования, - это уравнение состояния вакуумоподобного типа, та самая своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока нам неизвестно, меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то как. А значит, все рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются спекулятивными, основанными в значительной мере на эстетических воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру точной космологии, основанной на высокотехнологичных инструментах для наблюдения и развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет и дальше развиваться такими же темпами, как сегодня, загадка темной энергии будет разгадана уже нынешним поколением исследователей.

Физики любят красное словцо. В их среде с некоторых пор принято давать «ненаучные» названия вновь открытым сущностям. Взять хотя бы странный и очарованный кварки. Вот и темная энергия не синоним темных сил, а термин, придуманный для обозначения некоторых необычных свойств нашей Вселенной.

Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия, пожалуй, главная загадка современного естествознания. Вполне вероятно, что ее разгадка станет важнейшим событием физики XXI века, сравнимым по масштабу с крупнейшими открытиями недалекого прошлого, такими, как открытие феномена расширения Вселенной.

Не исключено даже, что произойдет настолько радикальное развитие теории, что оно встанет в один ряд с созданием общей теории относительности, открытием кривизны пространства-времени и связи этой кривизны с гравитационными силами. Мы сейчас находимся в начале пути, и разговор о темной энергии - это возможность заглянуть в «лабораторию» физиков в то время, когда их работа идет полным ходом.

Немного истории

То, что в нашей Вселенной «что-то не так», стало ясно космологам уже к началу 1990-х годов. Для пояснения полезно напомнить о законе расширения Вселенной. Удаленные друг от друга галактики разбегаются, причем чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Количественно темп расширения характеризуется параметром Хаббла. К началу 1990-х значение параметра Хаббла в современной Вселенной было довольно хорошо измерено: темп расширения Вселенной сегодня таков, что галактики, удаленные от Земли на расстояние 1 млрд. световых лет, убегают от нас со скоростью 24 тыс. км/с.

Отметим, что параметр Хаббла зависит от времени: в далеком прошлом Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем сейчас, и, соответственно, параметр Хаббла был гораздо больше.

В современной теории гравитации - общей теории относительности - параметр Хаббла однозначно связан с двумя другими характеристиками Вселенной: во-первых, с суммарной плотностью энергии всех форм материи, вакуума и т. д., во-вторых, с кривизной трехмерного пространства. Наше трехмерное пространство, вообще говоря, не обязано быть евклидовым; его геометрия может, например, быть аналогична геометрии сферы; сумма углов треугольника может не равняться 180°. В таком случае «упругость» пространства с точки зрения расширения Вселенной играет ту же роль, что и плотность энергии.

К началу 1990-х годов с неплохой точностью была оценена и плотность энергии «нормальной» материи в современной Вселенной. «Нормальная» она в том смысле, что испытывает такие же гравитационные взаимодействия, что и обычное вещество. Дело, впрочем, осложнилось тем, что большая часть «нормальной» материи - это так называемая темная материя. Темная материя, по-видимому, состоит из новых, не открытых пока в земных экспериментах элементарных частиц, чрезвычайно слабо взаимодействующих с веществом (слабее нейтрино!), но на равных испытывающих гравитационное взаимодействие. Именно по эффекту гравитационного притяжения она и была обнаружена. Более того, измерения гравитационных сил в скоплениях галактик позволили определить массу темной материи в них, а в конечном итоге - в целом во Вселенной. Таким образом и была найдена полная плотность энергии «нормальной» материи (для нее справедлива знаменитая формула Е = mс 2).

И что же оказалось? Выяснилось, что «нормальной» материи явно не хватает для объяснения измеренного темпа расширения Вселенной. Причем сильно не хватает: «недостача» составляла около 2/3 (по современным оценкам - около 70%). Возможных объяснений этому факту было два: либо трехмерное пространство искривлено, и недостающий вклад в параметр Хаббла связан с его «упругостью», либо во Вселенной присутствует новая форма энергии, которую впоследствии и стали называть «темной энергией».

С теоретической точки зрения обе эти возможности - и неевклидовость пространства, и темная энергия - выглядели крайне неправдоподобными.

Начнем с кривизны трехмерного пространства. В процессе расширения Вселенной пространство разглаживается, его кривизна уменьшается. Если кривизна отличается от нуля сейчас, то в прошлом она была больше, чем сегодня. Однако плотность энергии (массы) материи убывает при расширении Вселенной еще быстрее. Это означает, что в прошлом относительный вклад кривизны в параметр Хаббла был очень мал, а главным - с большим запасом - был вклад материи. Для того чтобы сегодня расширение Вселенной на 70% обеспечивалось кривизной, необходимо «подогнать» значение радиуса кривизны пространства в прошлом с фантастической точностью - через секунду после Большого взрыва он должен был быть равен миллиарду радиусов наблюдаемой тогда части Вселенной, не больше и не меньше! Без такой подгонки кривизна сегодня была бы либо на много порядков больше, либо на много порядков меньше, чем необходимо для объяснения наблюдений.

Эта проблема была одним из главных соображений, приведших к представлению об инфляционной стадии эволюции Вселенной. Согласно инфляционной теории, предложенной Алексеем Старобинским и независимо Аланом Гутом и сформировавшейся благодаря работам Андрея Линде, Андреаса Албрехта и Пола Стейнхардта, Вселенная на самом раннем этапе своей эволюции прошла через стадию чрезвычайно быстрого, экспоненциального расширения (раздувания, инфляции). По окончании этой стадии Вселенная разогрелась до очень высокой температуры, и наступила эпоха горячего Большого взрыва.

Хотя инфляционная стадия длилась, скорее всего, малую долю секунды, за это время Вселенная растянулась на десятки или сотни порядков величины (или гораздо больше) и кривизна пространства упала практически до нулевого значения. Таким образом, инфляционная теория приводит к предсказанию о том, что пространство современной Вселенной с высочайшей степенью точности евклидово. Это, конечно, идет вразрез с той гипотезой, что Вселенная расширяется сегодня на 70% благодаря кривизне.

Действие темной энергии подобно космологической инфляции первых мгновений Вселенной, только совсем других масштабов - ничтожная плотность энергии, медленное ускорение. Этот малый масштаб - большая загадка, совершенно непонятно, как темная энергия может быть связана с известной нам физикой частиц и полей. К этой загадке мы еще вернемся.

В дилемме, что отвечает за недостающие 70% плотности Вселенной - темная энергия или кривизна, - последняя долгое время была более популярной. Переворот произошел в 1998–1999 годах, когда две группы из США, одна под руководством Адама Райсса и Брайана Шмидта, а другая - Сола Перлмуттера, сообщили о результатах наблюдений удаленных сверхновых типа Iа. Из этих наблюдений следовало, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Такое свойство вполне согласуется с представлением о темной энергии, в то время как кривизна пространства к ускоренному расширению не приводит.

Несколько слов о сверхновых типа Iа. Это белые карлики, которые, подпитываясь веществом от звезды-компаньона, достигли так называемого чандрасекаровского предела, после чего потеряли устойчивость, взорвались и коллапсировали в нейтронные звезды. Предел Чандрасекара для всех белых карликов один, сами белые карлики похожи друг на друга, поэтому и взрывы в определенном смысле одинаковы. Иными словами, сверхновые типа Iа представляют собой «стандартные свечи»: зная абсолютную светимость и измеряя видимую яркость (поток энергии, приходящий на Землю), можно определить расстояние до каждой из них. Одновременно можно установить и скорость удаления от нас каждой из сверхновых (используя эффект Доплера).

Сверхновые - очень яркие объекты, их видно на огромных расстояниях. Иначе говоря, удаленные сверхновые, которые мы наблюдаем сейчас, взорвались давным-давно, и поэтому скорость их убегания определялась темпом расширения Вселенной тогда, в далеком прошлом. Тем самым наблюдения сверхновых типа Iа позволяют определить темп расширения на сравнительно ранних этапах эволюции Вселенной (8 млрд. лет назад и даже несколько раньше) и проследить зависимость этого темпа от времени. Именно это и дало возможность установить, что Вселенная расширяется с ускорением.

Окончательное доказательство того, что кривизна трехмерного пространства Вселенной мала, было получено путем изучения карты реликтового излучения.

В эпоху излучения реликтовых фотонов Вселенная не была в точности однородной. Имевшиеся тогда неоднородности были зародышами структур - первых звезд, галактик, скоплений галактик. В то время неоднородности плазмы представляли собой звуковые волны. Важно, что в ту эпоху во Вселенной имелся характерный масштаб расстояний. Звуковые волны ольшой длиной и, соответственно, большим периодом, еще не успели развиться к эпохе излучения реликтовых фотонов, а волны с «правильной» длиной как раз успели попасть в фазу максимальной амплитуды. Эта «правильная» длина волны представляет собой «стандартную линейку» эпохи излучения реликтовых фотонов; ее размер надежно вычисляется в теории горячего Большого взрыва и проявляется на карте реликтового излучения .

На рубеже XX–XXI веков в экспериментах BOOMERanG и MAXIMA впервые был измерен угол, под которым видна обсуждавшаяся только что «стандартная линейка». Ясно, что этот угол зависит от геометрии пространства: если сумма углов треугольника превышает 180°, то и этот угол больше. В результате было выяснено, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точности евклидово. Последующие измерения подтвердили этот вывод. С точки зрения расширения Вселенной существующие результаты означают, что кривизна пространства вносит пренебрежимо малый вклад (менее 1%) в параметр Хаббла. Темп расширения Вселенной сейчас на 70% обусловлен именно темной энергией.

Больше не знают о ней ничего

Какие же свойства темной энергии известны на настоящее время? Таких свойств немного, всего три. Но то, что известно, может по справедливости вызвать изумление.

Первое - это тот факт, что в отличие от «нормальной» материи темная энергия не скучивается, не собирается в объекты типа галактик или их скоплений - она «разлита» по Вселенной равномерно. Это утверждение, как и любое, основанное на наблюдениях или экспериментах, справедливо с определенной точностью. Однако из наблюдений следует, что отклонения от однородности, если они и есть, должны быть весьма малы по величине.

О втором свойстве мы уже говорили: темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Этим темная энергия тоже разительно отличается от нормальной материи, которая тормозит расширение. Два описанных свойства свидетельствуют о том, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию, для нее имеется гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения. Области с повышенной плотностью нормальной материи за счет гравитационного притяжения собирают вещество из окружающего пространства, сами эти области сжимаются и образуют плотные сгустки. Для антигравитирующей субстанции всё наоборот: области с повышенной плотностью (если они есть) растягиваются из-за гравитационного отталкивания, неоднородности разглаживаются и никаких сгустков не образуется.

Третье свойство темной энергии состоит в том, что ее плотность не зависит от времени. Тоже удивительно: Вселенная расширяется, объем растет, а плотность энергии остается постоянной. Кажется, что здесь есть противоречие с законом сохранения энергии. За последние 8 млрд. лет Вселенная расширилась вдвое. Область пространства, которая тогда имела, скажем, размер 1 м, сегодня имеет размер 2 м, ее объем увеличился в 8 раз, во столько же раз увеличилась энергия в этом объеме. Несохранение энергии налицо.

На самом деле рост энергии при расширении Вселенной не противоречит законам физики. Темная энергия устроена так, что расширяющееся пространство совершает над ней работу, что и приводит к увеличению энергии этой субстанции в расширяющемся объеме пространства. Правда, расширение пространства само обусловлено темной энергией, так что ситуация напоминает барона Мюнхгаузена, вытаскивающего себя за волосы из болота. И тем не менее противоречия нет: в космологическом контексте невозможно ввести понятие полной энергии, включающей в себя энергию самого гравитационного поля. Так что и закона сохранения энергии, запрещающего рост или убывание энергии какой-нибудь формы материи, тоже нет.

Утверждение о постоянстве плотности темной энергии тоже основано на астрономических наблюдениях, а потому тоже справедливо с определенной точностью. Чтобы охарактеризовать эту точность, укажем, что за последние 8 млрд. лет плотность темной энергии изменилась не более чем в 1,1 раза. Это мы сегодня можем сказать с уверенностью.

Отметим, что второе и третье свойство темной энергии - способность приводить к ускоренному расширению Вселенной и ее постоянство во времени (или, более общо, очень медленная зависимость от времени) - на самом деле тесно связаны между собой. Такая связь следует из уравнений общей теории относительности. В рамках этой теории ускоренное расширение Вселенной происходит именно тогда, когда плотность энергии в ней или совсем не меняется, или меняется весьма медленно. Таким образом, антигравитация темной энергии и ее сложные отношения с законом сохранения энергии - две стороны одной медали.

Этим надежные сведения о темной энергии по существу и исчерпываются. Дальше начинается область гипотез. Прежде, чем говорить о них, обсудим вкратце один общий вопрос.

Почему сейчас?

Если в современной Вселенной темная энергия дает наибольший вклад в полную плотность энергии, то в прошлом это было далеко не так. Скажем, 8 млрд. лет назад нормальная материя была в 8 раз более плотной, а плотность темной энергии была такой же (или почти такой же), как сейчас. Отсюда несложно заключить, что тогда соотношение между энергией покоя нормальной материи и темной энергией было в пользу первой: темная энергия составляла около 13%, а не 70%, как сегодня. Из-за того, что в то время главную роль играла нормальная материя, расширение Вселенной происходило с замедлением. Еще раньше влияние темной энергии на расширение было совсем слабым.

Итак, влияние темной энергии и вызванное им ускорение расширения Вселенной - явления по космологическим меркам совсем недавние: ускорение началось «всего» 6,5 млрд. лет назад. С другой стороны, поскольку плотность нормальной материи убывает со временем, а плотность темной энергии - нет, темная энергия вскоре (опять-таки по космологическим меркам) будет полностью доминировать. Значит, современный этап космологической эволюции - это переходный период, когда темная энергия уже играет заметную роль, но расширение Вселенной определяется не только ей, но и нормальной материей. Является ли эта выделенность нашего времени случайным совпадением или за ней стоит какое-то глубокое свойство нашей Вселенной? Этот вопрос - «почему сейчас?» - остается пока открытым.

Кандидаты

Если бы не было гравитации, абсолютное значение энергии не имело бы физического смысла. Во всех теориях, описывающих природу, за исключением теории гравитационных взаимодействий, смысл имеет лишь разность энергий тех или иных состояний. Так, говоря об энергии связи атома водорода, мы имеем в виду разность двух величин: суммарной энергии покоя свободных протона и электрона, с одной стороны, и энергии покоя атома - с другой. Именно эта разность энергий выделяется (передается рожденному фотону), когда электрон и протон соединяются в атом. Если бы не гравитационное взаимодействие, говорить об энергии вакуума было бы бессмысленно, ее просто не с чем было бы сравнивать.

Дело в том, что энергия вакуума, как и любая другая энергия, «весит», гравитирует. Вакуум - это состояние с наинизшей энергией (поэтому, кстати, энергию от него отобрать нельзя), однако эта энергия совершенно не обязана быть равной нулю; с теоретической точки зрения она может быть как положительной, так и отрицательной. Можно ли ее вычислить «из первых принципов» - большой вопрос. Но в любом случае энергия вакуума, если она положительна, имеет как раз те свойства, которыми должна обладать темная энергия: однородность в пространстве и постоянство во времени.

Как мы говорили выше, в общей теории относительности последнее свойство автоматически означает, что энергия вакуума приводит к ускоренному расширению Вселенной.

Подчеркнем, что однородность в пространстве и постоянство во времени - это точные, а не приближенные свойства вакуума. Плотность энергии вакуума - это мировая константа (по крайней мере, в той части Вселенной, которую мы наблюдаем). Надо сказать, что эту константу - космологическую постоянную, Λ-член - вводил в свои уравнения еще Эйнштейн. Он, правда, не отождествлял ее с энергией вакуума, но это - вопрос терминологии, по крайней мере, при современном понимании существа дела. Позже Эйнштейн от своей идеи отказался - возможно, напрасно.

Почему же представление о темной энергии как энергии вакуума не удовлетворяет многих физиков? В первую очередь это связано с несуразно малым значением плотности энергии вакуума, которое необходимо для согласия теории и наблюдений.

В вакууме всё время рождаются и умирают виртуальные частицы, в нем имеются конденсаты полей - вакуум похож скорее на сложную среду, чем на абсолютную пустоту. Это не просто домыслы: особенности вакуума находят свое проявление в свойствах элементарных частиц и их взаимодействий и в конечном итоге определяются, хотя и косвенно, из многочисленных экспериментов. Энергия вакуума, в принципе, должна была бы «знать» о том, как он устроен, какова его структура и каковы значения характеризующих его параметров (например, конденсатов полей).

Теперь представим себе ангела-теоретика, который изучил физику элементарных частиц, но ничего не слышал о нашей Вселенной. Попросим этого теоретика предсказать плотность энергии вакуума. Исходя из масштабов энергий, характерных для фундаментальных взаимодействий, и соответствующих масштабов длин, он сделает свою оценку - и ошибется в невообразимое число раз - на десятки порядков величины. Наш теоретик предсказал бы такую большую энергию вакуума и такой вызванный ей темп расширения Вселенной, что дома на соседней улице должны были бы разлетаться от нас со скоростями, близкими к скорости света!

Проблема энергии вакуума ставила в тупик физиков-теоретиков задолго до открытия темной энергии. Так, в 1920–1930-х годах эта проблема волновала Вольфганга Паули, который в 1933 году писал : «Эта энергия [вакуума; тогда использовали термин «энергия нулевой точки», Nullpunktsenergie] должна быть не наблюдаемой в принципе, поскольку она не излучается, не поглощается, не рассеивается... и поскольку, как очевидно из опыта, она не создает гравитационного поля». Почему так происходит? Одна из возможностей состоит в том, что энергия пустого пространства каким-то образом всё же изменяется со временем и в конце концов становится близкой к нулю. Конкретные теоретические модели, иллюстрирующие эту возможность, построить чрезвычайно трудно, но можно; еще труднее вписать их в космологический контекст.

Если темная энергия - это энергия вакуума, то попытаться понять, почему она имеет столь малую величину, можно, следуя совсем другой логике. Представим себе, что Вселенная чрезвычайно велика, что она во много раз больше, чем наблюдаемая нами часть. Допустим далее, что в разных весьма обширных частях Вселенной могут реализовываться самые разные вакуумные состояния с самой разной плотностью энергии. Такая возможность, к слову, теоретически не исключена; более того, именно так, судя по всему, обстоит дело в теории суперструн, особенно если Вселенная проходила инфляционную стадию. Области Вселенной, где плотность энергии вакуума слишком велика по абсолютной величине, выглядят совершенно непохоже на нашу область: там, где энергия вакуума велика и положительна, пространство расширяется настолько быстро, что звезды и галактики просто не успевают образоваться; в областях с большой отрицательной энергией вакуума расширение пространства быстро сменяется сжатием, и эти области коллапсируют задолго до образования звезд. В обоих случаях космологическая эволюция несовместима с существованием наблюдателей, подобных нам. И, наоборот, мы могли появиться только там, где плотность энергии вакуума очень близка к нулю, - мы там и появились.

Такой, как говорят, антропный взгляд на проблему энергии вакуума высказывался более 20 лет назад в работах Андрея Линде и Стивена Вайнберга. Сейчас он популярен среди заметной части физиков-теоретиков. Другая часть воспринимает его как способ уйти от проблемы. Наиболее взвешенный подход, наверное, состоит в том, чтобы не исключать антропного объяснения как возможного конечного ответа, но попытаться всё же найти альтернативное решение проблем энергии вакуума и темной энергии.

Альтернативой вакууму как носителю темной энергии может служить какое-то новое поле, «разлитое» во Вселенной. В этом варианте энергия нового поля и является темной энергией. Новым это поле должно быть потому, что присутствие всюду во Вселенной известных полей (например, электромагнитного) слишком сильно влияло бы на поведение вещества и приводило бы к эффектам, которые давно были бы обнаружены. Кроме того, известные поля таковы, что их энергия не обладает перечисленными выше свойствами темной энергии.

Гипотетическое новое поле должно характеризоваться энергетическим масштабом порядка 0,002 эВ. Хотя это очень малый масштаб с точки зрения известных взаимодействий, он не выглядит совершенно неправдоподобным. Действительно, мы уже знаем, что масштабы разных взаимодействий сильно различаются между собой. Так, упоминавшийся масштаб сильных взаимодействий (200 МэВ) в 10 19 раз меньше масштаба гравитационных сил. Такое гигантское различие, конечно, само по себе требует объяснения, но это отдельный вопрос. В любом случае существование в природе разных энергетических масштабов - это факт, и введение нового малого масштаба непреодолимым препятствием не выглядит.

Новое поле, вообще говоря, изменяется в процессе эволюции Вселенной. Изменяется и его плотность энергии. Чтобы это изменение было не слишком быстрым, кванты нового поля - новые частицы - должны иметь чрезвычайно малую массу; говорят, что это поле должно быть легким.

Наконец, новое поле - это новая сила (так же, как гравитационное поле соответствует гравитационным, а электромагнитное - электрическим и магнитным силам). Легкое поле с чрезвычайно малой массой - сила с большим радиусом действия, подобная гравитации. Чтобы не было противоречия с экспериментами по проверке общей теории относительности, взаимодействие этого поля с обычным веществом должно быть очень слабым, слабее гравитационного.

Все эти свойства не выглядят для теоретика привлекательными, но с ними можно смириться. Важно, что гипотеза о новом поле хотя бы в принципе допускает экспериментальную проверку - с помощью наблюдений можно выявить изменение плотности энергии поля со временем. Это однозначно отметет гипотезу о вакуумной природе темной энергии и, наоборот, послужит указанием на существование во Вселенной нового легкого поля. К тому же в перспективе можно надеяться обнаружить неоднородность распределения темной энергии в пространстве. Это стало бы окончательным доказательством того, что темная энергия - энергия нового поля, а не что-нибудь еще.

С другой стороны, сегодня не видно способов зарегистрировать новое легкое поле в лабораторных экспериментах, на ускорителях и т. д. Причина - чрезвычайно слабое взаимодействие этого поля с веществом. Впрочем, мы еще слишком мало знаем, и, как говорится, никогда не говори «никогда».

Физики обсуждают разные типы гипотетических легких полей, энергия которых могла бы выступать в качестве темной энергии. В наиболее простом с теоретической точки зрения варианте плотность энергии нового поля убывает со временем. Для поля такого типа употребляют термин «квинтэссенция». Не исключена, однако, и обратная возможность, когда плотность энергии растет со временем; поле такого типа называют «фантомом». Фантом был бы весьма экзотическим полем; ничего подобного до сих пор в природе не встречалось. Различие между квинтэссенцией и фантомом, как мы обсудим ниже, важно с точки зрения удаленного будущего Вселенной.

Наконец, еще одно возможное объяснение темной энергии состоит в том, что никакой темной энергии на самом деле нет. Если общая теория относительности неприменима на современных космологических масштабах длин и времен, то и в темной энергии нет необходимости.

Разумеется, при таком взгляде на темную энергию нельзя не учитывать тот факт, что общая теория относительности хорошо проверена на меньших масштабах расстояний. Поэтому нужно создать новую теорию гравитации, которая переходила бы в общую теорию относительности на этих расстояниях, но иначе описывала бы эволюцию Вселенной на сравнительно поздних, близких к нашей стадиях. Это трудная задача, особенно если учесть требование самосогласованности, внутренней непротиворечивости теории. Тем не менее такие попытки делаются, и некоторые из них выглядят довольно перспективными.

Одна из возможностей состоит в том, чтобы разрешить ньютоновской постоянной всемирного тяготения меняться в пространстве и во времени, подчиняясь определенным уравнениям. К сожалению, наиболее красивые версии теории, реализующие эту возможность, отвергнуты экспериментами по проверке общей теории относительности. Если же за красотой не гнаться, то модели, объясняющие ускоренное расширение Вселенной и согласующиеся со всем, что известно про гравитацию, построить на этом пути можно. Такие модели, как правило, предсказывают отклонения от общей теории относительности, которые хотя и малы, но в перспективе экспериментально обнаружимы.

Отметим еще идею о том, что наше пространство может иметь больше трех измерений. При этом дополнительные измерения на обычных расстояниях ничем себя не проявляют, а на космологических расстояниях в миллиарды световых лет силовые линии гравитационного поля могут «расползаться» в дополнительные измерения, отчего гравитация не будет больше описываться обычным законом Ньютона. Вполне удовлетворительной теории, объясняющей таким образом ускоренное расширение Вселенной, до сих пор не построено; в предложенных к настоящему времени моделях эта идея реализована лишь отчасти. Замечательно, тем не менее, что эти модели приводят к своим предсказаниям для эксперимента. Среди них - возможность изменения гравитационного закона Ньютона на малых расстояниях; малые, но обнаружимые поправки к общей теории относительности в Солнечной системе и т. д.

Итак, открытые недавно особенности расширения Вселенной поставили новый вопрос: вызваны ли они энергией вакуума, энергией нового легкого поля или новой гравитацией на сверхбольших расстояниях? Теоретическое изучение этих возможностей в самом разгаре, а ответ, как обычно в физике, в конечном итоге должны дать новые эксперименты.

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 70% 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.

Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, сели темная энергия - фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет всё 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 фантомного поля. 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.

Всё это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 млрд. 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.

• Космологические модели
  • Большой взрыв
  • Вселенная Фридмана
• Хронология космологии

Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

К настоящему времени (2012 год) все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается в космологии как стандартная . Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния . Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

Тёмная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.

Открытие тёмной энергии

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения , гравитационного линзирования , нуклеосинтеза Большого Взрыва . Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель .

Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная

Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с вакуумом» объёма V , равняется ρV , где ρ - энергетическая плотность космологической константы. Увеличение объёма «коробки» (dV положительно) приводит к возрастанию её внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как работа, выполняемая изменением объёма dV , равняется pdV , где p - давление, то p отрицательно и, фактически, p = −ρ (коэффициент с², связывающий массу и энергию, приравнен 1).

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля , основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы - на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Обычная формула квантовой теории поля для суммирования вакуумных нулевых колебаний поля (с обрезанием по волновому числу колебательных мод, соответствующему планковской длине), даёт огромную плотность энергии вакуума. Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые физики, включая Стивена Вайнберга , считают т. н. «антропный принцип » наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа - это во многих отношениях самое экономное решение проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

Квинтэссенция

Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом . Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия - это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля , называемого квинтэссенцией . Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны .

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн , но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно в определенный момент времени. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа » считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Сжатию ». Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia . За это открытие Сол Перлмуттер , Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

См. также

Примечания

Ссылки

• Тёмная энергия вблизи нас - популярная брошюра, А. Д. Чернина, ГАИШ МГУ.
• A.Д. Чернин: Физический вакуум и космическая анти-гравитация
• Документальный фильм - Темная материя, темная энергия (2008)
• A.Д. Чернин. Темная энергия и всемирное антитяготение. // УФН , 178 , 267 (2008).
• В. Н. Лукаш, В. А. Рубаков. Темная энергия: мифы и реальность. // УФН , 178 , 301 (2008). (Комментарий к статье А. Д. Чернина)
• Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg, Phantom Energy and Cosmic Doomsday (astro-ph:0302506)
• Марк Тродден , Джонатан Фэн . Темные миры

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Тёмная энергия" в других словарях:

ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ - (ТЭ) странная энергия небарионного мира (см.), присутствующая в нашей Вселенной и проявляющаяся в виде антигравитации способности «отталкиваться» от обычной материи. В результате многочисленных (500 000 за период с 1995 по 2005 г.) наблюдений с … Большая политехническая энциклопедия