Темная энергия доминировала в ранней вселенной. Новый сюрприз Вселенной: темная энергия

Десятилетиями ученые ломают головы над тем фактом, что наша Вселенная расширяется. С логической точки зрения гравитация должна притягивать галактики друг к другу, однако наблюдения 1990-х годов показали, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускоряющей тенденцией, и виной тому является так называемая темная энергия.

Темная энергия (не путать с темной материей) – это гипотетическая сила, на которую приходится до 68,3 процента всей энергии в наблюдаемой Вселенной. И ученые считают, что эта энергия отталкивает галактики друг от друга. Тем не менее, несмотря на множество непрямых доказательств ее существования, никто так до сих пор и не смог напрямую определить наличие темной энергии или хотя бы адекватно объяснить, откуда она взялась.

Однако согласно новой гипотезе, ответ на этот вопрос лежал у нас в буквальном смысле перед носом. Согласно этой гипотезе, темная энергия – это абсолютно обыденная вещь, если рассматривать ее с точки зрения одного из фундаментальных законов Вселенной, о котором мы часто забываем, когда рассматриваем этот вопрос. Этим фундаментальным законом является закон сохранения энергии. О нем рассказывают еще в средней школе. Если простыми словами, гласит он следующее: энергию нельзя просто так создать или разрушить, она не может просто так исчезнуть. Единственное, что она может – это перетечь из одного состояния в другое или перейти от одного тела к другому. На этом законе держится большая часть нашей фундаментальной физики.

Результаты нового исследования, проведенного группой физиков из разных институтов, говорят о том, что если в рамках самых ранних дней появления Вселенной имела место даже едва заметная утрата энергии, то это могло бы объяснить природу темной энергии, о которой сегодня говорят многие ученые. Авторы исследования добавляют, что, вполне возможно, эта утечка хоть и нарушала фундаментальный закон, но нарушала его настолько незначительно, что в итоге этого никто бы и не заметил.

Гипотеза весьма дерзкая, следует заметить. Но здесь же интересно понять, что именно привело исследователей к такой гипотезе. Для того чтобы разобраться в вопросе темной энергии и постараться объяснить ее, необходимо вернуться в 1917 год, год, когда Эйнштейн пытался понять, почему Вселенная статичная и не имеет тенденцию сужаться или расширяться. На тот момент эта теория была весьма популярной.

Чтобы объяснить отсутствие гравитационной стяжки, Эйнштейн предположил, что во Вселенной должно иметься что-то, что может создавать в общем вселенском масштабе сопротивление гравитации. Так появилась космологическая постоянная. Однако от этой идеи в 1929 году он отказался, когда астроном Эдвин Хаббл впервые увидел признаки расширяющейся Вселенной, которые он отметил в своих расчетах. В начале 90-х годов прошлого века ученые доказали, что Вселенная расширяется с ускорением, и постоянная Эйнштейна стала вновь актуальной. Астрофизики пришли к мнению, что этой постоянной, о которой Эйнштейн говорил в своих работах несколько десятилетий назад, на самом деле всегда являлась та вещь, которую сегодня мы называем темной энергией.

Так что же это такое, темная энергия? В общем понимании это космологическая постоянная, возникающая и равномерно заполняющая пространство Вселенной. Из квантовой механики нам известно, что на самом деле пустое пространство никогда не пусто – оно заполнено квантовыми частицами и энергией, которая появляется под воздействием возникновения и исчезновения этих частиц. И некоторые из этих частиц могут обладать репульсивной силой – той самой темной энергией.

Пожалуй, единственный самый спорный момент заключается в том, что предсказанный объем появляющейся темной энергии в рамках этого процесса должен быть больше, чем ныне выдвигаемый с учетом наблюдения расширения Вселенной показатель – до 120 порядков больше, если точнее. Это может говорить о том, что мы либо неправильно измеряем этот объем, либо мы совсем не понимаем, откуда именно берет свое начало темная энергия.

Новое исследование предполагает, что последний вариант наиболее вероятен, и по этому случаю выдвигается новая гипотеза. А что, если на раннем этапе своего появления Вселенная испытывала некоторую утечку энергии и эта потеря задала темп возникновения темной энергии?

«В нашей модели темная энергия представлена тем, что способно указать на тот объем энергии и импульса, которые были утрачены за всю историю Вселенной», - говорит один из исследователей Алехандро Перез.

Основной для этой новой гипотезы является альтернативная модель общей теории относительности, к которой Эйнштейн пришел в 1910-х. Она носит название модели унимодулярной гравитации. Согласно ей, энергия совсем необязательно должна сохраняться. При этом исследователи говорят, что при применении модели унимодулярной гравитации в вычислениях значение космологической постоянной идеально соотносится с теми наблюдениями, согласно которым наша Вселенная расширяется с ускорением.

Важно также отметить, что эта модель необязательно сильно противоречит нашему нынешнему пониманию Вселенной. Хотя исчезновение энергии в ранней Вселенной скажется на изменении значений объемов темной энергии, ни на что другое оно влиять не будет, или по крайней мере это не будет заметно в наших современных экспериментах.

«Энергия вещества, составляющего материю, может передаваться гравитационному полю, и эта «потеря энергии» будет выступать в роли космологической постоянной - она не будет разбавляться позже с расширением Вселенной», - говорит Тибо Жоссе, еще один член исследовательской группы.

«С учетом этого, потеря или создание энергии в далеком прошлом может иметь серьезные последствия сегодня и при этом на совершенно ином уровне и в более крупных больших масштабах».

Здесь, однако, возникает вопрос: если исчезновение энергии не несет никаких эффектов на Вселенную, кроме как изменяет значение самой темной энергии, то каким образом можно проверить правильность или неправильность этой гипотезы? В этом и заключается основная проблема.

«Наше предложение носит весьма общий характер, и любое изменение закона сохранения энергии, вероятнее всего, внесет свой вклад в эффективность космологической постоянной. Например, это может установить новые ограничения на феноменологические модели, стоящие за пределами квантовой механики», - говорит Жоссе.

«С другой стороны, прямые доказательства того, что темная энергия подпитывается от изменяющей свое состояние обычной энергии, кажутся за гранью реальности, так как у нас уже есть значение лямбда-члена (она же – космологическая постоянная), и, кроме того, мы ограничены лишь последним временем ее (темной энергии) эволюции».

В общем и целом данная гипотеза представляется тем, чем она пока и есть гипотезой, которая еще не проходила проверки. Однако физики говорят, что хотят более детально ее исследовать на предмет вероятности в будущем.

«Ни о какой определенности речи не идет. Но эта новая идея представляется как минимум интересной и поэтому заслуживает внимания», - говорит Ли Смолин, физик-теоретик из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо, не принимавший участия в этом исследовании.

В 30-х годах ХХ в. швейцарец Ф. Цвикки наблюдал за одним из самых больших галактических скоплений в созвездии Волосы Вероники. Из наблюдений выяснилось, что видимая скопления гораздо меньше существующей. Эти данные подтвердились через сорок лет Верой Рубин. Стало понятно, что некая тёмная материя и наполняют основной массой и галактическое пространство, и любое другое.

Наличие тёмной материи начали предполагать исходя из некоторых наблюдении:

• Скорости вращения не убывают от центра к краям. Убывание скорости должно происходить, если галактическая масса соответствует видимой.

• Исследования спутников галактик и шаровых скоплений показывали, что вся масса галактики больше общей массы её звёзд и других составляющих

• Двойные галактические системы и скопления обладали большей долей тёмной материи

• В эллиптических галактиках звёздной массы не хватит, чтобы удерживать горячий газ

Из всех наблюдений выявились некоторые свойства таинственного вещества. Оно может взаимодействовать с обычным веществом. Тёмная материя в несколько раз плотнее барионного, и захватывает его частицы посредством гравитационных ям. Вследствие этого происходит свечение.

Вокруг нашего светила, на расстояниях до 13 тыс. св. лет, больших объёмов тёмной материи не выявлено, хотя, по расчётам, концентрация её должна быть порядка 0,5 кг на объём Земли.

Обсерватория «Планк» в 2013 году опубликовала данные о составе наблюдаемой Вселенной. Обычная (барионная) материя составляет 4,9%, тёмная – 26,8%, а тёмная энергия – 68,3%. Из этого очевидно, что тёмная материя и тёмная энергия - основа нашей Вселенной.

Что входит в тёмную материю (теории)

• Барионная тёмная материя. Вполне логично допущение, что эта материя обычная, но плохо взаимодействующая электромагнитным образом. Поэтому обнаружить её не удаётся. Состав этого вещества может быть таким: звёзды-карлики, тёмные гало, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Возможно присутствие звёзд кварковых и преонных, но они имеют статус объектов гипотетических. Такой вариант объяснения тёмной материи следует из космологии Большого взрыва. Исходя из этого, получается, что концентрация лёгких элементов должна быть резко отличной от наблюдаемой.
• Небарионная тёмная материя. Предполагаемых объектов такого вещества достаточно. Но, конечно, всё это – теоретические модели.
• Лёгкие нейтрино. Эти частицы реально существуют, и этот факт доказан. Считается, что их число во Вселенной аналогично числу фотонов. Хотя они и обладают очень малой массой, но общее число вполне может влиять на динамику пространства. Их масса в диапазоне 10 -2 – 10 -3 эВ. После производства некоторых экспериментов выяснилось, что лёгкие нейтрино не могут быть доминирующей частью тёмной материи.
• Тяжёлые нейтрино. Эти нейтрино названы стерильными за неспособность слабого взаимодействия. Изученные свойства этих частиц таковы, что они вполне способны составить значительную часть тёмной материи. Параметры их масс - 10 -1 – 10 -4 эВ.
• Аксионы. Такой тип частиц относится к гипотетическим нейтральным. Они введены в квантовую хромодинамику для решения некоторых проблем. Возможно, что они составляют существенную часть тёмной материи, несмотря на небольшую массу - 10 -5 эВ.
• Суперсимметричные частицы. Теоретически существует одна такая частица - LSP. Она стабильная, и не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях. Ею может быть гравитино, фотино, хиггсино и некоторые другие.
• Космионы. Такие частицы ввели в физику, чтобы разрешить проблемы солнечных нейтрино. Но, после разрешения некоторых теорий, эти частицы, вероятно, исключат из числа претендентов, составляющих тёмную материю.
• Дефекты пространства-времени. В вакуумном поле Вселенной могли происходить энергетические скачки. Результатом этого могла стать различная выстроенность скалярного поля. При взаимодействии областей, имеющих различную ориентацию, образовывались дефекты разных конфигураций. Объекты, полученные при этом, наделены большой массой. Они вполне могли бы стать доминирующей составляющей тёмной материи. Но пока такие частицы не обнаружены.

Классификация

Начальные стадии развития Вселенной характерны термодинамическим равновесием между частицами тёмной материи и космической плазмы. В какой-то момент началось снижение температуры, из-за чего изменились параметры пролёта частиц в плазме. Все взаимодействия с барионными частицами прекратились. Исходя из значений температуры, при которых это случилось, тёмная материя разделяется на три типа:

1. Горячая. Такой параметр тёмной материи получился из-за многократного превышения энергии частиц над их массой, случившегося в точке выхода из равновесия.
2. Холодная. Это частицы, вылетевшие из плазмы в нерелятивистском состоянии, то есть, не имеющие околосветовых скоростей. На роль таких частиц претендует класс вимпов – это массивные, но слабо взаимодействующие частицы. Они тоже пока существуют только в умах учёных. Они имеют приличную массу – больше десятков ГэВ – и остаточную концентрацию, которая способна сбалансировать энергии современной Вселенной. Сила их взаимодействия с барионным веществом позволяет надеяться на обнаружение их в прямом виде. Из теоретических разработок следует, что тёмная материяв любой галактике должна особенно концентрироваться в её центре. Но астрономические наблюдения опровергают это, показывая, что она собирается в гало вокруг галактик и наполняет межгалактические пустоты.
3. Тёплая. Такой тип материи составляют частицы, имеющие массу, не меньше 1 эВ. На выходе из равновесного состояния такие частицы были релятивистские. Они могли образоваться во время перехода из одной стадии расширения Вселенной в другую. Возможными кандидатами на роль такого типа материи стали нейтрино и LSP-гравитино.

Изучение тёмной материи

Пока известно о трёх методах, позволяющих производить прямые астрономические наблюдения.

1. Динамический. Изучаются радиальные скорости галактик в их скоплениях при помощи современных приборов.
2. Газодинамический. Исследуется рентгеновское излучение горячих газов скоплений.
3. Расчёт слабого гравитационного линзирования . Для этого метода необходимы точные изображения очень удалённых крупнейших скоплений галактик.

Фактическое обнаружение частиц

Все частицы тёмной материи не имеют электрического заряда. Это является главной трудностью в их поиске, существующем в двух вариантах.

1. Прямой. Используя наземную аппаратуру, проводятся изучения следствий, вытекающих из взаимодействия тёмных частиц с электронами и ядрами атомов.
2. Косвенный. Отыскиваются возможные потоки вторичных частиц, возникших в результате различных действий, например аннигиляции материи.

Всё усложняющиеся наблюдения учёных за нашим миром, позволяют сделать вывод, что большая часть его нам неведома. 95% всего наполнения Вселенной – интересная загадка, которую ещё предстоит решить.

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.

Темная энергия - вид энергии, «космологическая постоянная», существование которой постулируется математической моделью Вселенной, но о которой практически ничего не известно. Оказалось, что Вселенная, как полагал Эйнштейн, а до него - Ньютон, не стоит на месте, а постоянно расширяется. Причем расширяется с нарастающим темпом. Никаких свидетельств существования темной энергии пока нет, но в ней, почему-то, никто не сомневается. Темная энергия играет важную роль в судьбе Вселенной: закончится ли она обратным Большим Взрывом или будет расширяться вечно.

Глядя на нашу Вселенную сегодня, очень легко прийти в восторг от увиденного. Звезды на нашем ночном небе - лишь малая часть, несколько тысячи из сотен миллиардов от того, что присутствует в нашем Млечном Пути. Сам - лишь одна-одинешенька галактика из триллионов присутствующих, в наблюдаемой Вселенной, которая простирается во всех направлениях примерно на 46 миллиардов световых лет. И все это началось около 13,8 миллиарда лет назад из горячего, плотного, быстрого, расширяющегося состояния, известного как Большой Взрыв.

Вселенная – это не только бескрайние просторы тьмы и триллионов галактик, содержащих многие миллиарды звезд и многие миллиарды планет. На самом деле здесь все гораздо сложнее. Каждая отдельно взятая галактика, как и отдельно взятое галактическое скопление, соединяются с так называемой гигантской межгалактической паутиной, чьи невидимые нити состоят из темной материи. Понимаем, представить это довольно сложно, однако совсем недавно ученые благодаря весьма хитроумному способу использования метода гравитационного линзирования смогли разглядеть некоторые из этих нитей.

Данная статья была написана Владимиром Горунович для данного сайта и сайта "Викизнание", помещена на этот сайт с целью защиты информации, затем скорректирована.

Тёмная энергия (англ. dark energy) - гипотетическая форма энергии, существование которой предполагается некоторыми космологическими моделями (Ускоренного расширения Вселенной).
В рамках данных моделей существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

• тёмная энергия есть космологическая константа - неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);
• тёмная энергия есть некая квинтэссенция - динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Предполагается, что тёмная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.

1 Темная энергия и космологические модели
2 Темная энергия и "расширение Вселенной"
3 Темная энергия и фундаментальные взаимодействия
4 Темная энергия и закон сохранения энергии
5 Темная энергия и полевая теория
6 Темная энергия - итог

1. Темная энергия и космологические модели

Вывод о наличии ускорения в предполагаемом (гипотезой Большого взрыва) расширении Вселенной был сделан на основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звезд. Затем к обоснованию добавили: так называемое реликтовое излучение, гравитационное линзирование, нуклеосинтез гипотетического Большого Взрыва. Полученные данные согласуются с лямбда-CDM моделью.

В астрономии расстояния, не поддающиеся прямому измерению (расстояния до других галактик) определяются с помощью закона Хаббла и красного смещения. Но закон Хаббла требует введение параметра Хаббла равного отношению некоторого известного расстояния к величине красного смещения. В астрономии расстояния до сверхновой звезды типа Ia можно определить по ее светимости методом “стандартной свечи”, используя то, что все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

В конце 1990-х годов для удалённых галактик имеющих сверхновые типа Ia, было установлено, что сверхновые имеют яркость ниже той, которая им полагается исходя из величины расстояния определенного по закону Хаббла. Получилось, что расстояние до этих галактик, вычисленное по методу "стандартных свеч" (для сверхновых Ia), оказалось больше расстояния, вычисленного по закону Хаббла на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Из чего был сделан вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. На основании этих наблюдений, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением, названного "тёмной энергией".

Но можно сделать еще один вывод: закон Хаббла не работает или не точен , и не вводить гипотетического ускорения вымышленного расширения Вселенной. Что касается срока начала ускоренного расширения Вселенной (приблизительно 5 миллиардов лет назад) то он имеет такое же отношение к действительности, как и предполагаемый гипотезой Большого взрыва, возраст Вселенной (13,75 миллиардов лет).

Космологи не пожелали разбираться со своими ошибками и переложили все на физику. Конечно, физика разберется и с этой сказкой, но с физики достаточно и других математических сказок ожидающих разбирательства.

2. Темная энергия и "расширение Вселенной"

Наличие расширения Вселенной экспериментально не доказано . Никто не измерял расстояния до удаленных галактик и не показал, что оно увеличивается с течением времени. Красное смещение в спектрах отдаленных галактик можно объяснить, не прибегая к эффекту Доплера и гипотезе "Большого взрыва".
А раз не доказан сам факт расширения Вселенной - то нельзя говорить и об ускорении несуществующего расширения Вселенной . Следовательно, космологические модели "Ускоренного расширения Вселенной" - это всего лишь бездоказательные гипотезы и вытекающее из них существование темной энергии - всего лишь предположение математических моделей, верность которых в физике не доказана и вызывает обоснованные сомнения.

Кроме того, гипотеза "Большого взрыва" сегодня отвергается физикой:

• гипотеза Большого взрыва игнорирует часть законов природы и поэтому она не может рассматриваться как теория,
• гипотеза Большого взрыва вводит не существующие в природе формы энергии, вещества и элементарные частицы,
• гипотеза Большого взрыва не учитывает реальных свойств элементарных частиц,
• гипотеза Большого взрыва манипулирует с физическими силами

3. Темная энергия и фундаментальные взаимодействия

Экспериментально установлено наличие в природе следующих двух типов фундаментальных взаимодействий:

• электромагнитных взаимодействий,
• гравитационных взаимодействий.

• электромагнитная энергия,
• гравитационная энергия.

Таким образом темная энергия, как некоторый обособленный вид энергии, противоречит существующим в природе фундаментальным взаимодействиям .

4. Темная энергия и закон сохранения энергии

Энергия не может возникать из ничего - т.е. из вакуума, создаваться ничем и исчезать в никуда. Закон сохранения энергии - это фундаментальный закон природы. Все известные науке формы энергии подчиняются этому закону. Если темная энергия действительно существует в природе, она также должна подчиняться закону сохранения энергии. Введение для темной энергии своего собственного закона природы выходит за пределы физики - физика изучает только природу и ее законы, а мир сказок это не физика.

Следовательно, в природе должны иметь место процессы преобразования "темной" энергии в иные виды энергии, а также обратные преобразования. Все с чем физике удавалось столкнуться до сих пор это похожие на такие процессы реакции с участием нейтрино в микромире. Поскольку нейтрино крайне слабо взаимодействует с другими элементарными частицами и в более чем 99% случаев проходит незамеченной через датчики то создается иллюзия пропадания энергии (при испускании нейтрино, например при распаде нейтрона) и аналогично иллюзия появления энергии из ничего (при реакции поглощения нейтрино). Физика научилась распознавать эти события и установила, что закон сохранения энергии работает и здесь. Иных "потерь" и "появлений" энергии физикой не установлено.

Таким образом, если темная энергия действительно существует в природе, она должна подчиняться закону сохранения энергии и в природе должны наблюдаться скачкообразные потери и появления известных форм энергии. Из отсутствия в природе последнего следует, что темная энергия как отдельная форма энергии в природе не существует. В природе могут наблюдаться процессы со слабо взаимодействующими элементарными частицами (например, нейтрино и их возбужденными состояниями) создающими иллюзию таких событий. Но это будет известная форма энергии.

Ну а если какая либо модель игнорирует законы природы - то это говорит о том, что перед нами математическая сказка .

5. Темная энергия и полевая теория

Согласно полевой теории элементарных частиц любая форма энергии в природе должна состоять из существующих в природе элементарных частиц или создаваться ими. Данная форма энергии может переноситься элементарными частицами в реальном состоянии в соответствии с законами природы, в том числе и законом сохранения энергии. Ну а поскольку все элементарные частицы состоят из электромагнитного поля - то эта форма энергии будет электромагнитной формой энергии (или ее производной - формой, вытекающей из электромагнитной энергии или создаваемой электромагнитной энергией).

6. Темная энергия - итог

Темная энергия как отдельная форма энергии:

• противоречит существующим в природе фундаментальным взаимодействиям,
• не наблюдается при преобразованиях энергии разных форм,
• не имеет за собой никаких реально существующих в природе полей.

Следовательно, темная энергия как отдельная форма энергии не может существовать в природе. В природе существуют "невидимые" формы электромагнитной энергии - это энергия, переносимая нейтрино, в гигантских количествах испускаемых звездами . Но для того чтобы заполнить Вселенную нейтрино 13,75 миллиарда лет явно недостаточно, а вообще, лучше распрощаться со сказочкой о большом взрыве - противоречащей законам природы.

Владимир Горунович