Тёмная энергия
АрхивНаука и жизньО доводах в пользу существования тёмной материи и энергии рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ.
Автор благодарит преподавателя Новосибирского государственного университета, старшего научного сотрудника Института автоматики и электрометрии СО РАН, кандидата физико-математических наук Александра Черных за помощь в подготовке материала.
Ещё совсем недавно Лев Ландау утверждал, что космология "часто ошибается и никогда не сомневается". Но теперь ситуация изменилась, ведь за последние годы космология превратилась в точную науку и способна давать количественные ответы. Новые возможности в области астрономии позволяют нам делать вполне определенные выводы о некоторых этапах существования Вселенной.
На сегодняшний день главной головоломкой в космологических построениях считаются скрытые формы энергии, к которым традиционно причисляют темную материю и темную энергию. Несмотря на то, что о темной энергии и материи известно мало, сомневаться в том, что они есть, не приходится. В пользу этого говорит ряд косвенных признаков их существования. О них нам рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН.
Темная материя составляет около 23% массы Вселенной и практически не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, за что и называется "темной". Поясняет В.Рубаков: "Под "обыкновенной" материей мы понимаем ту, которая подчиняется закону Ньютона и испытывает такие же гравитационные воздействия, как и обычное вещество. Но выяснилось, что большая часть "обычного" вещества во Вселенной имеет неизвестную нам физическую природу. Его принято называть "темной материей". Происхождение этого термина объясняется просто: частицы темной материи не излучают свет, потому что не несут электрического заряда. Таким образом, это не фигура речи, а действительно характеристика её свойств. Вероятно, темная материя состоит из неизвестных современной науке элементарных частиц".
Темная материя проявляет себя гравитационными эффектами. Измерения скорости вращения удалённых звезд вокруг галактики свидетельствуют о том, что её масса не сосредоточена там, где есть обычное (светящееся) вещество, а распределена по большему пространству. И реальная масса галактики больше, чем масса видимого вещества. Таким образом, темная материя собирается в галактиках и влияет на вращение звезд в них. "Темная материя имеет такие же свойства, что и обычная: она собирается в сгустки, концентрируется и притягивает вещество и свет. В местах скоплений темной материи и образуются галактики и скопления галактик. Гравитационные эффекты, которые проявляет темная материя, и помогли её обнаружить," - объясняет Валерий Рубаков.
Итак, гравитационно она взаимодействует так же, как и обычное вещество, барионная материя, то есть подчиняется закону Ньютона. Всё остальное (предположения о том, что частицы темной материи должны быть намного тяжелее обычного протона, что время их возникновения, скорее всего, относится к периоду ранней Вселенной и т.д.) – лишь гипотезы и предположения. Свойства темной материи практически неизвестны, поэтому претендентов на то, чтобы быть её частицами – множество. Это нейтрино новых типов, аксионы, слабовзаимодействующие массивные частицы вимпы и другие элементарные частицы.
О количестве темной материи во Вселенной свидетельствуют также измерения анизотропии реликтового излучения. Такие исследования проводятся, в частности, с помощью спутника WMAP (согласно данным "Википедии", "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной"). WMAP составил радиокарту неба на нескольких длинах волн от 1,4 см до 3 мм. Измерение анизотропии реликтового излучения дает представление о свойствах ранней Вселенной и позволяет измерить её параметры. Кроме того, становятся доступны данные и о плотности темной материи. Как заметил преподаватель кафедры небесной механики, астрометрии и гравиметрии МГУ, доктор физико-математических наук М. Сажин, "если плотность всего вещества нашей Вселенной принять за единицу, то плотность невидимой холодной темной материи составит примерно 23%". Оказалось, что полученные точные данные о составе обычной материи не соответствуют темпам расширения Вселенной. По последним данным, "обычная" материя обеспечивает лишь около 1/4 расширения Вселенной. "Объяснением этого феномена могут, в принципе, служить два факта, - считает В. Рубаков. - Или недостающий вклад в параметр Хаббла объясняется искривлением трехмерного пространства, или во Вселенной существует неизвестная науке форма энергии, которая получила название "темной энергии"".
WMAP
Вселенная расширяется. Расширение заключается в том, что космическое пространство равномерно "расползается", увеличивается. Началом расширения Вселенной считается Большой взрыв. Долгое время предполагалось, что расширение Вселенной происходит с замедлением. И почти никто в этом не сомневался. Но в конце 90-х годов прошлого века выяснилось, что это не так. Галактики, удаленные от нашей планеты, убегают тем быстрее, чем дальше расположены. Кроме того, чем дальше они от нас, тем более красными они выглядят, что объясняется эффектом Доплера. Темп расширения выражается параметром Хаббла, который к началу 90-х годов прошлого века был измерен достаточно точно. Например, галактика, расположенная на расстоянии 1 миллиард световых лет от нас, удаляется со скоростью 24000 километров в секунду. "Параметр Хаббла, - объясняет В. Рубаков, - определяется двумя характеристиками Вселенной: общей плотностью энергии всех форм материи и кривизной трехмерного пространства. Кроме того, роль играет и возраст Вселенной: с течением времени параметр Хаббла уменьшается, и сейчас Вселенная расширяется гораздо медленнее, чем миллиарды лет назад. Что касается пространства, то мнение о том, что оно непременно должно быть евклидово, несправедливо. Кривизна пространства в процессе расширения так же важна, как и плотность энергии".
Но в конце двадцатого века гипотеза о важности вклада кривизны пространства в параметр Хаббла была отвергнута благодаря астрономическим наблюдениям. Из исследований группы С. Перлмуттера и группы А. Райса и Б. Шмидта удаленных сверхновых звезд доподлинно стало известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Но кривизна пространства не может вызывать ускорение расширения. Поэтому почти все согласились с тем, что за оставшиеся 3/4 расширения отвечает именно темная энергия. Это повысило интерес к попыткам её обнаружения и вызвало появление множества гипотез о её природе. Однако известно лишь несколько свойств темной энергии.
"Первое, - рассказывает В. Рубаков, - это равномерное распределение в пространстве. Темная энергия, в отличие от обыкновенной, не имеет свойства концентрироваться и образовывать сгустки. Темная энергия разлита в пространстве равномерно, но не стоит это понимать буквально. В определенных участках пространства её плотность может быть выше, чем в других, а где-то, напротив, она больше разрежена. Но преимущественно, темная энергия все же однородна, поскольку эти отклонения очень малы и в масштабах Вселенной они несущественны. Второе свойство темной энергии заключается в том, что она заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Природа обычной энергии такова, что заставляет частицы вещества испытывать гравитацию. При разлете частицы обычного вещества со временем двигаются всё медленнее, поскольку, подчиняясь закону гравитации, притягиваются к центру. Темная энергия, напротив, заставляет галактики удаляться с ускорением. Вселенная расширяется с ускорением именно за счёт темной энергии. То, что для темной энергии характерно гравитационное отталкивание, а не притяжение, объясняет ускорение расширения Вселенной и равномерное распределение темной энергии в пространстве. Если и существуют участки с большей плотностью, то из-за отталкивания они разглаживаются. Третье свойство темной энергии тоже необычно: её плотность не зависит от времени, хотя за последние 8 миллиардов лет Вселенная увеличилась в два раза. На ранних этапах эволюции Вселенная была более плотной и горячей. Плотность обычной энергии была выше, а темной – такая же, как и сегодня. Поэтому тогда доля темной энергии составляла примерно 15%, в то время как сегодня эта цифра выросла до 73%. Значит, тогда доминировала обычная материя, и поэтому Вселенная замедляла расширение. Этот факт позволяет сделать важный вывод об эволюции Вселенной: поскольку доля темной энергии увеличивается, и когда-нибудь она будет доминировать абсолютно, настоящее для Вселенной – это всего лишь переходный период в её развитии. Будущее, таким образом, именно за темной энергией".
Расширение Вселенной
На этом факты о темной энергии заканчиваются, и начинаются предположения. Некоторые гипотезы о природе темной энергии выглядят наиболее правдоподобными.
Одним из кандидатов на роль темной энергии является энергия вакуума. Теоретически, вакуум может обладать отличной от нуля энергией, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Его энергия, как и энергия других субстанций, испытывает гравитационное взаимодействие. Почему на роль темной энергии подходит энергия вакуума? "Свойства энергии вакуума близки тем свойствам темной энергии, которые нам известны. Во-первых, в видимом пространстве Вселенной вакуум одинаков, то есть распределен в пространстве равномерно. Его энергия, как и темная энергия, не обладает качеством концентрации, то есть не способна сгущаться и распределена везде одинаково. Вторым аргументом в пользу того, что темной энергией могла бы быть энергия вакуума, является то, что она неподвластна времени, то есть изменениям, которые происходили на протяжении эволюции Вселенной. Энергию вакуума изучает физика сверхмалых расстояний и времен, и расширение Вселенной никак на неё не влияет. Так же ведет себя и темная энергия. Стоит заметить, что то, что плотность энергии вакуума не зависит от времени и пространственного расположения – неоспоримый факт. И это важный плюс в пользу этого кандидата на звание "темной энергии"", - объясняет В. Рубаков.
Однако, многие оспаривают возможность того, что темная энергия – это энергия вакуума. И на это действительно есть свои причины. Например, аргументом "против" является очень малая плотность энергии вакуума, которая необходима для согласования теории с наблюдениями.
Темной энергией могут быть неизвестные поля. Неизвестные, так как те, которые мы знаем, не подходят по своим свойствам. К тому же, будь это известные нам поля, они давно обнаружили бы себя специфическими эффектами, их воздействие на вещество выдало бы себя. Какими качествами должно обладать новое поле, чтобы подходить на роль темной энергии? "Во-первых, его энергетический масштаб должен быть равен 0,001 электронвольт. И в том, что мы вводим новый, удивительно малый масштаб, нет ничего предосудительного. Дело в том, что в природе возможно существование самых разных энергетических масштабов. Во-вторых, новое поле должно быть легким, то есть его частицы должны иметь очень маленькую массу. Это объясняется тем, что плотность его энергии не должна меняться слишком быстро вследствие расширения Вселенной. Поскольку, напомню, темная энергия не реагирует на процессы, сопровождающие эволюцию Вселенной. И третье, что должно быть свойственно новому полю – оно должно очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Легкость поля, его малая масса обеспечивает, при этом, большой радиус действия. - говорит В. Рубаков
Эти три условия непривлекательны для науки в силу своей "притянутости", но они имеют право на существование. Тем более, эту гипотезу возможно проверить экспериментально: если при более точном измерении темпа расширения Вселенной (сейчас и в далеком прошлом) выяснится, что плотность темной энергии со временем все-таки меняется, это поможет с уверенностью отказаться от гипотезы об энергии вакуума. К тому же, если обнаружится, что темная энергия распределена в пространстве неравномерно, это будет доказательством того, что она действительно является энергией нового поля. Трудностью является то, что подтверждение или опровержение этой гипотезы невозможно получить в ходе земных экспериментов, так как это поле слишком слабо взаимодействует с веществом. На роль подобного легкого поля подходят "квинтэссенция" и "фантом". "Квинтэссенцией" физики называют такое поле, плотность энергии которого убывает со временем. "Фантомом" принято называть такой тип полей, плотность энергии которых, напротив, со временем растёт".
Ещё одно возможное объяснение состоит в том, что на самом деле нет никакой темной энергии. Термин "темная энергия", что бы он ни обозначал – некую субстанцию или же явление – употребляется для объяснения процесса ускоренного расширения Вселенной. Новая форма энергии необходима, если Вселенная развивается по законам общей теории относительности (ОТО). А если её устройство не подчиняется ОТО, то "темная энергия" вообще становится не нужна. Поскольку общая теория относительности точно "действует" на сравнительно небольших по космологическим меркам масштабах, нужно искать такую теорию гравитации, которая могла бы объяснить эволюцию Вселенной на поздних этапах её существования, и в то же время согласовывалась с ОТО на меньших масштабах длин и времен. Несмотря на сложность темы, работы по ней уже есть, и некоторые из них заслуживают внимания. "Одним из вариантов, - говорит В. Рубаков, - является отказ от ньютоновской постоянной всемирного тяготения как от постоянной величины, для этого нужно принять факт её изменения во времени и пространстве. Наиболее красивые попытки построить подобную теорию, увы, не имели успеха, потому что были опровергнуты экспериментально. При построении альтернативной теории, объясняющей устройство Вселенной, важно учитывать и то, что пространство может иметь не только три измерения, но и больше. Второе, на что стоит обратить внимание, это то, что закон расширения Вселенной может измениться. Новая гравитация, таким образом, действительно является претендентом на роль темной энергии. Но не стоит забывать, что все построенные сегодня модели требуют экспериментального подтверждения".
О будущем Вселенной говорить сложно. Раньше предполагалось, что за ускорение расширения Вселенной на оставшиеся 3/4 от обычной материи отвечает кривизна пространства, и расширение Вселенной в будущем замедлится. Теперь, когда известно, что это не так, есть несколько предположений о вариантах дальнейшего развития Вселенной. Если гипотеза о темной энергии как о новой теории гравитации верна, то сложно строить прогноз эволюции Вселенной. В противном случае, если темная энергия связана с энергией вакуума или легкими полями – можно сказать несколько слов о том, как будет развиваться Вселенная.
"Есть несколько предположений о будущем Вселенной, - комментирует В. Рубаков. - Если "вакуумная" гипотеза о природе темной энергии верна, Вселенная будет расширяться непрерывно, почти все галактики, соседние с нашей, удалятся от нас, и мы окажемся во Вселенной в одиночестве. В том случае, если темная энергия – квинтэссенция, расширение прекратится и, возможно, напротив, начнется сжатие – тогда может произойти "Большой взрыв наоборот" (сжатие Вселенной, увеличение плотности вещества в ней, разогрев. Так выглядел бы Большой взрыв, если бы мы "прокрутили фильм" о нем назад во времени). А если же темная энергия – это фантом, то произойдет "большой разрыв", то есть расширение будет продолжаться с ускорением, и Вселенная станет "расщепляться": распадутся скопления галактик, из отдельных галактик вырвутся звезды, от Солнечной системы отделятся планеты. Вселенная распадется, таким образом, на протоны и нейтроны. Но, скорее всего, плотность энергии фантома останется ограниченной, и это очень интересный путь развития Вселенной. Рост плотности энергии со временем приводит к непредсказуемому поведению фантомного поля: на определенных участках его плотность может быть очень высокой, на других – очень низкой, а какие-то, возможно, испытают коллапс. В таком случае судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область пространства она попадет".
Но в ближайшие 20 миллиардов лет, подчеркивает В. Рубаков, существенных изменений во Вселенной не произойдет. Так что, даже в космологических масштабах, ожидать перемен можно лишь в далеком будущем.
