П.2. Разбегание галактик и темная энергия50

П.2. Разбегание галактик и темная энергия⁵⁰

Антитяготение действует на разбегающиеся галактики и стремится ещё более отдалить их друг от друга; из-за этого расширение вселенной происходит с ускорением. Ускоренное космологическое расширение было обнаружено в прямых астрономических наблюдениях на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, почти у края видимой Вселенной. Скорости разбегающихся галактик и расстояния до них в расширяющейся Вселенной измеряют уже почти сто лет. Но измерить ускорение галактик впервые удалось лишь десять лет назад в результате длительных систематических наблюдений, проводившихся двумя независимо работавшими группами астрономов, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райсс, другую возглавлял Сол Перлматтер. Изучались далёкие сверхновые звёзды определённого типа.

Наблюдения велись на самых мощных современных астрономических инструментах – космическом телескопе «Хаббл» и крупнейших наземных рефлекторах. Это позволило обнаружить и измерить тонкий релятивистский эффект, проявляющийся в зависимости видимой яркости источника от его красного смещения. Этот эффект определяется ускорением, с которым движется источник света, и становится заметным только на больших расстояниях, на которых красное смещение (относительное увеличение длины волны в наблюдаемом спектре источника) приближается к единице. Так было обнаружено, что космологическое расширение происходит с положительным ускорением – скорости разбегающихся галактик возрастают со временем.

Ускорение указывает на силу, которая определяет движение тел. Этой силой не может быть притяжение космических тел друг к другу: взаимное тяготение галактик способно лишь тормозить их разбегание. А ускорять это движение может лишь сила противоположного знака – она и называется всемирным антитяготением. Физический источник антитяготения - тёмная энергия, которая проявляет себя в мире только благодаря свойству создавать антитяготение. В остальном она невидима и неуловима: не излучает и не поглощает света, не рассеивает его. По макроскопическим свойствам тёмная энергия подобна особого рода сплошной среде с положительной плотностью и отрицательным давлением. Что касается физической природы и микроскопической структуры тёмной энергии, то они остаются полностью неизвестными.

В простейшей (и как кажется, самой правдоподобной) её интерпретации тёмная энергия связывается с космологической постоянной Эйнштейна. Гипотеза об универсальном космическом отталкивании была выдвинута Эйнштейном в 1917 году, когда он впервые применил свою только что созданную общую теорию относительности к задаче о мире как целом.

В подходе к космологии Эйнштейн следовал давней натурфилософской традиции, которая приписывала Вселенной идеальную симметрию в пространстве (однородность и изотропию) и во времени. Симметрия во времени означает, что вечность и неизменность – неотъемлемые атрибуты существования мира. В соответствии с этими общими взглядами Эйнштейн построил теоретическую модель однородного и притом статического – вечного и неизменного – мира. Статичность, однако, не вытекала непосредственно из общей теории относительности. Для того, чтобы придать это свойство своей космологической модели, Эйнштейну пришлось прибегнуть к дополнительному предположению о существовании в природе всеобщего отталкивания, способного компенсировать и уравновесить всемирное тяготение во Вселенной как целом. Только при таком условии вещество мира, а с ним и вся Вселенная могли находиться в состоянии покоя.

Это предположение потребовало модифицировать уравнения общей теории относительности, добавить в них дополнительное слагаемое. Эйнштейновское антитяготение представлено и описано в общей теории относительности всего одной величиной – космологической постоянной , которая всюду и всегда одинакова. Несложно понять, зачем, для какой цели Эйнштейну понадобилось всемирное антитяготение. Труднее представить себе, как, каким путём он смог найти ту простую и естественную форму, в которой он реализовал эту идею. Эйнштейн и сам не мог объяснить этого, хотя и пытался объяснить «извилистый и неровный путь» рассуждений, который привёл его к идее космологической постоянной. Только сейчас мы начинаем понимать значение и глубину его идеи: это было теоретическое предсказание необычайной глубины и смелости.

Через пять лет после Эйнштейна, в 1922 г., А.А. Фридман доказал, что наличие антитяготения не исключает эволюции мира, если только не требовать специально, чтобы между космическим притяжением и отталкиванием всегда существовало строгое равновесие. Фридман построил космологическую модель, которая обладала однородностью и изотропией в пространстве (как у Эйнштейна), но не была бы статической, - модель расширяющейся Вселенной. Эта модель описывается точными решениями уравнений общей теории относительности и содержит космологическую постоянную в качестве свободного физического параметра. Численное значение константы не вытекает из теории, оно подлежит измерению в специальных космологических наблюдениях.

Теория Фридмана с тем значением космологической постоянной , которое вытекает из последних мира и полностью согласуется со всем набором современных астрономических сведений. На её основе строится сегодняшняя «стандартная модель» космологии (в англоязычной литературе называемая CDM cosmology (CDM – от английского Cold Dark Matter)).

Возвращаясь к предыстории новейших открытий, заметим, что Эйнштейн высоко оценил теорию Фридмана (хотя и не сразу). Сильное впечатления на него произвели также астрономические исследования Э. Хаббла, в которых теория расширяющейся Вселенной нашла – по общему мнению – прямое наблюдательное подтверждение. Но если реальный мир нестатичен, зачем нужна космологическая постоянная? Эйнштейн потерял похоже интерес к идее всемирного отталкивания и предложил забыть о космологической постоянной до тех пор, пока в её пользу не появятся, по его словам, «достаточно веские эмпирические основания». В нескольких изданиях Теории поля Ландау и Лифшица можно прочесть о космологической постоянной: «…нет никаких настоятельных и убедительных оснований … для такого видоизменения уравнений тяготения». Как говорит В.Л. Гинзбург, «Л.Д. Ландау даже слышать не хотел о - члене, но добиться от него причины такой позиции мне не удалось». В те же годы против идеи космологической постоянной резко выступал В. Паули.

Интерес к космологической константе возникал в разные годы в связи с проблемой возраста мира. Очевидно, что Вселенная как целое не должна быть моложе населяющих её астрономических тел. Между тем по первоначальным (сильно заниженным) оценкам, основанным на данных Хаббла 1930-1940-х годов, возраст мира получался близким к 2 млрд. лет. Но это меньше геологического возраста Земли. Позднее возраст мира оценивали уже в 7-9 млрд. лет (после исправления систематической ошибки в данных Хаббла). Однако возраст самых старых образований в нашей галактике – шаровых скоплений звёзд – астрономы оценивали, как правило, величиной 12-15 млрд. лет. Идея космологической постоянной обещала решение этого тяжёлого парадокса, если, как отмечалось ещё в 1988 г., всеобщее отталкивание сильнее собственной гравитации вещества в современной Вселенной.

В стандартной модели плотность тёмной энергии определяется космологической постоянной, и поэтому эта плотность постоянна во времени и идеально однородна в пространстве. Более того, плотность тёмной энергии имеет одинаковое значение во всех системах отсчёта.

Плотность – главная количественная характеристика тёмной энергии. Если взять за меру массу атома водорода, то величина плотности тёмной энергии соответствует присутствию в каждом кубическом метре пространства трёх атомов водорода. Для того чтобы представить себе силу антитяготения, которую способна создать антигравитирующая среда с такой плотностью, вообразим, что два нейтральных атома водорода помещены в пространство, в котором нет ничего, кроме тёмной энергии. На эти атомы действуют две силы: ньютоновская сила их взаимного притяжения и эйнштейновская сила отталкивания. Оказывается, что антитяготение сильнее тяготения, если расстояние между атомами больше полуметра.

По некоторым данным на долю тёмной энергии приходится 70% полной плотности мира. Так что тёмная энергия представляет собой главный вид энергии/массы в наблюдаемой Вселенной. Понятно, что при таких условиях создаваемое тёмной энергией антитяготение должно доминировать в динамике космологического расширения. В природе существуют ещё три вида космической энергии. Одна из них - это тёмная материя, на которую по тем же данным приходится около 25% полной плотности мира; как предполагается, она состоит из гипотетических нерелятивистских («холодных») стабильных элементарных частиц, не участвующих в сильном ядерном взаимодействии.