Понятие темной энергии. Модели, объясняющие природу тёмной энергии

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.

Были предложены и другие возможные виды квинтэссенции: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность квинтэссенции возрастает со временем, и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву Вселенной.

РАЗДЕЛ 3. УСКОРЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ПОДТВЕРЖДЕНО

Международная группа учёных под руководством Алексея Вихлинина из Института космических исследований РАН экспериментально подтвердила ускоренное расширение Вселенной новым независимым методом и восстановила картину её развития во времени. Сейчас в ИКИ РАН ведут работы по созданию новой орбитальной рентгеновской обсерватории, одной из задач которой будет определение уравнения состояния тёмной энергии с беспрецедентной точностью.

Алексей Вихлинин, выступая с докладом на конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», прошедшей в ИКИ РАН, рассказал, что в прошлом веке по наблюдениям далёких сверхновых звёзд было показано, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения этого ускорения ввели понятие «тёмной энергии» («невидимой энергии»). Её свойства оказались весьма необычными — так, например, тёмная энергия должна обладать отрицательным давлением, чтобы «расталкивать» Вселенную. Установление природы этой загадочной тёмной энергии —  одна из главных задач физики, поскольку, согласно современным представлениям, именно тёмная энергия определяет развитие нашего мира.

В основе работы международной группы учёных из Европы и США лежало исследование распределения массивных скоплений галактик в пространстве — основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной. (Крупномасштабную структуру можно представить как скопления галактик, соединённые филаментами— скоплениями газа, между которыми находятся пустоты.) Тёмная энергия должна оказывать существенное влияние на рост крупномасштабной структуры, поскольку она противодействует силе гравитационного притяжения материи и препятствует образованию сгущений вещества на больших масштабах расстояний. В наибольшей степени это влияние отражается на скорости образования массивных скоплений галактик. Такие скопления содержат тысячи галактик, подобных нашей, и могут иметь массы порядка 1014 масс Солнца.

Экспериментально обнаружено и подробно исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Млечного Пути. Большая часть скоплений открыта на основании данных рентгеновского телескопа РОСАТ (Германия, НАСА). Измерения расстояний выполнены при помощи десятка оптических телескопов по всему миру: Keck, Magellan, NTT и др. Большое количество наблюдений проведено также при помощи российско-турецкого 1,5-метрового телескопа РТТ-150. Главный вклад в успех работы сделан орбитальной рентгеновской обсерваторией Чандра (США) — по её данным точно измерены массы скоплений.

На основе полученных результатов астрофизики восстановили картину развития Вселенной начиная примерно с 2/3 её возраста до настоящего времени, то есть в течение последних 5,5 миллиарда лет (что примерно соответствует возрасту Солнца). Результаты этого исследования показали, что рост крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился.

Сила, с которой тёмная энергия «расталкивает» вещество, описывается параметром уравнения состояния тёмной энергии, имеющим физический смысл, сходный с жёсткостью пружины. Исследователи провели наиболее точное на сегодняшний день измерение этого параметра. Полученные результаты подразумевают, что уравнения общей теории относительности (только с добавлением космологической постоянной) хорошо работают на всех наблюдаемых расстояниях — от радиусов орбит планет в нашей Солнечной системе до размеров всей наблюдаемой части Вселенной.

ИКИ РАН в сотрудничестве с институтами Общества им. Макса Планка (Германия) и другими научными организациями сейчас ведёт работы по созданию орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-рентген-гамма» (СРГ), запуск которой планируется в 2012 году. Обсерватория предназначена для полного обзора неба, в ходе которого, как ожидается, будет открыто порядка 100 тысяч скоплений галактик (то есть все массивные скопления галактик во Вселенной), примерно 3 млн ядер активных галактик (сверхмассивных чёрных дыр) и около 2 млн коронально-активных звёзд. На основе наблюдений массивных скоплений галактик предполагается более точно оценить скорость роста крупномасштабной структуры Вселенной, что, в свою очередь, позволит определить беспрецедентно точно уравнение состояния тёмной энергии.

Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления. Не исключено, что в рамках новой теории окажется, что наше пространство имеет не четыре, а пять измерений.

РАЗДЕЛ 4. ПОНЯТИЕ СКРЫТОЙ МАССЫ

Существующие во Вселенной тела и скопления вещества астрономы обнаруживают в основном по их излучению. Это может быть видимый спектр или другие виды электромагнитных волн  — всё равно имеются признаки излучения, позволяющие их регистрировать. Именно таким способом установлено, что большая часть видимого вещества Вселенной сосредоточена в звёздах. Кроме них имеются разреженный межзвёздный галактический газ, пыль, тела планетного типа вблизи звёзд.

Однако,  не от всех космических объектов можно принять излучение. Например, с Земли нельзя рассмотреть массивные, но очень маленькие элементы двойных систем. А чёрные дыры принципиально не отпускают никакое излучение. Наличие подобных тел удаётся установить только по их гравитационному воздействию на соседей. Применение такого косвенного метода привело учёных к убеждению, что на самом деле Во Вселенной содержится гораздо больше вещества, чем то, которое доступно прямым наблюдениям.

Как возникли подозрения о существования скрытой массы? Важнейшие наблюдательные данные об этом сводятся к следующему. С помощью радиотелескопов наблюдаются движения спутников отдельных галактик (ими являются маленькие галактики) или движения газовых облаков. Эти объекты часто движутся на расстояниях далеко за видимой границей галактики (очерченной массой светящихся звезд), где, казалось бы, никакой материи в заметных количествах уже нет. Тем не менее,  вычисленная по этим наблюдениям масса той или иной галактики, вокруг которой наблюдались такие движения, оказывалась иногда раз в десять больше, чем определенная по движению звезд на видимой границе галактики. Это значит, что вокруг видимого тела галактики имеется какая-то невидимая корона, содержащая огромные массы. Тяготение  этих масс никак не сказывается на движения звезд глубоко внутри короны на краю видимой галактики,  так как мы знаем, что сферическая оболочка внутри себя тяготения не создает, но эти массы влияют своим тяготением на движение тел на окраинах короны и вне ее.

Еще большие скрытые массы имеются в межгалактическом пространстве в скоплениях галактик. В таких скоплениях галактики движутся хаотически. Поэтому астрофизики сначала измеряют скорости отдельных галактик, а, затем, после нахождения средней скорости, вычисляют полную массу скопления, создающую общее поле тяготения, которое разгоняет движущиеся в нем галактики. Разумеется, эта масса включает все вещество — и видимое, и невидимое. И вот оказывается, что иногда полная масса во многие десятки раз превышает суммарную светящуюся массу всех галактик в скоплении.

Впервые о скрытой массе заговорили в 30-х гг. ХХ в. Швейцарский астроном Фриц Цвикки, измеряя по  красному смещению скорости галактик из скопления в созвездии Волосы Вероники, получил неожиданный результат. Лучевые скорости этих галактик оказались слишком высокими и не соответствовали общей массе скопления, определённой по числу наблюдаемых галактик (т. е. по видимому веществу). Тогда Цвикки выдвинул смелую гипотезу, что в скоплении присутствует невидимая, скрытая масса, она-то и является причиной больших скоростей галактик. Но самым удивительным было то, что, согласно расчётам, эта невидимая масса во много раз превышала массу видимую. Та же картина наблюдалась и во многих других скоплениях галактик

С тех пор гипотеза о существовании невидимого вещества неоднократно привлекалась для интерпретации астрономических наблюдений, и прежде всего, для объяснения особенностей движения звёзд и газовых облаков по орбитам в дисках галактик. Если бы основная масса галактики была сосредоточена в звёздах, их орбитальные скорости уменьшались бы по мере удаления от центра. В действительности они не только не уменьшаются, но в ряде случаев даже возрастают. То же самое происходит и в нашей Галактике. Чтобы объяснить это явление, нужно предположить, что далеко за пределами видимых границ галактики простирается несветящаяся, тёмная материя. Обычно её называют темным гало. С его учётом масса гигантских спиральных систем типа Млечного Пути оказывается равной примерно 1012 массам Солнца, тогда как вещества, заключённого в звёздах, в несколько раз меньше.

В 70-х гг. методами рентгеновской астрономии был открыт горячий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях галактик. Его температура достигает десятков миллионов градусов. По значению температуры можно оценить характеристики гравитационного поля, в котором находится газ, а следовательно, и полную массу вещества, являющегося источником этого поля. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скоплениях галактик подтвердили присутствие в них скрытой массы, не входящей в состав отдельных галактик.

Ещё одно прямое указание на скрытую массу удалось получить при изучении движения Местной группы галактик. (В Местную группу входят наша Галактика и её ближайшие соседи.) В середине 80-х гг. по результатам очень успешной миссии космической инфракрасной обсерватории HPAC (IRAS) было установлено, что движение Местной группы в пространстве направлено в ту сторону, где сосредоточено большое количество галактик.  В этом нет ничего удивительного, ведь по закону тяготения большая масса должна притягивать окружающие группы галактик. Но измеренная скорость движения оказалась слишком высокой (более 600км/с), чтобы её можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Это свидетельствовало о присутствии скрытой массы между галактиками.

Наконец, наблюдения слабых галактик, проведённые с помощью чувствительных детекторов излучения – ПЗС-матриц, — позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы, но и достаточно точно обозначить ее распределение в скоплениях галактик. Этот метод называют гравитационным линзированием, идею которого впервые выдвинул Цвикки еще в 1937 г. Метод этот основан на том, что гравитация скопления галактик действует как собирающая линза. Она позволяет получить изображение слабых галактик (как правило, 22-28 звездной величины), находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения самих галактик становятся ярче и искажаются, вытягиваясь в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления. Анализируя такие изображения, можно восстановить распределение плотности в «линзе», т. е. в скоплении галактик. Оказалось, что создающая тяготение материя простирается далеко за пределы видимой части скопления.

Существование скрытой массы кардинально меняет оценку общей усредненной плотности всех масс Вселенной.  Возможно, есть скрытая масса и между скоплениями галактик. Ее обнаруживать особенно трудно. Но если это так, то не исключено, что полная средняя плотность  равна критической плотности или даже несколько больше. Таким образом, пока нельзя сказать, больше ли истинная плотность всех видов вещества во Вселенной, чем критическая плотность, или нет. Значит, мы пока не можем сказать определенно, будет ли Вселенная расширяться неограниченно или же в будущем она начнет сжиматься.

Что представляет собой скрытая масса? Надо прямо сказать, что физическая природа скрытой массы пока неясна. Частично эта масса может быть обусловлена огромным числом слабо светящихся и поэтому практически невидимых издали звезд или других несветящихся небесных тел. Однако вероятнее, что скрытая масса является своеобразным реликтом тех физических процессов, которые протекали в первые мгновения расширения Вселенной. Скрытая масса, возможно, является совокупностью большого числа элементарных частиц, обладающих массой покоя  и слабовзаимодействующих с обычным веществом. Теория предсказывает возможность существования таких частиц. Ими могут быть, например, нейтрино, если они обладают массой покоя.

Какова же природа невидимого вещества?  Возможно, скрытая масса создается не открытыми пока элементарными частицами. Дело в том что, согласно современной теории горячей Вселенной, максимально возможная масса барионов (протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят атомные ядра всех химических элементов) не превышает 10% от массы, необходимой для критической плотности, т. е. той плотности, какой теоретически должна обладать Вселенная. Поэтому остаётся либо предположить, что во Вселенной помимо обычной барионной (атомной) массы содержится ещё очень много вещества, не состоящего из атомов, либо считать, что пустое пространство (вакуум) обладает такими свойствами, что вносит свой вклад в полную плотность материи. В принципе небарионная скрытая масса может быть заключена в легких элементарных частицах (с массой в миллионы раз меньше массы покоя электрона), существование которых следует их современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.