Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Возможно, самое сильное доказательство того, что все эти явления объясняются скрытой массой, а не, скажем, модифицированной теорией гравитации, можно видеть в так называемом кластере «Пуля», который представляет собой результат столкновения двух скоплений галактик (рис. 76). По ходу столкновения видно, что скопления содержат звезды, газ и скрытую массу (темная материя). Горячий газ в скоплениях взаимодействует настолько активно, что остатки газа сконцентрировались в центральной зоне столкновения. Темная материя, с другой стороны, не взаимодействует или по крайней мере взаимодействует слабо. Измерения эффектов линзирования показали, что темная материя действительно отделилось от горячего газа в соответствии с моделью, в которой существует слабо взаимодействующая темная материя и активно взаимодействующая обычная материя.

РИС. 76. Кластер «Пуля» (внешне действительно напоминающий летящую пулю) свидетельствует о том, что скопления галактик содержат темную материю и что их динамику вряд ли удастся объяснить при помощи модифицированной теории гравитации. Дело в том, что здесь мы видим разделение между активно взаимодействующим обычным веществом, которое при столкновении двух скоплений собирается в центре, и слабо взаимодействующим темным веществом, которое можно «увидеть» по гравитационному линзированию и которое, очевидно, просто проходит чужое скопление насквозь

Еще одно свидетельство существования скрытой массы исходит от реликтового излучения, о котором мы уже говорили. В отличие от линзирования, измерения этого излучения ничего не говорят нам о распределении скрытой массы. Зато реликтовое излучение сообщает нам суммарное энергетическое содержание скрытой массы: какую именно часть космического «пирога» она составляет по энергетическому показателю.

Измерения реликтового излучения много сообщают нам о ранней Вселенной и снабжают подробной информацией о ее свойствах. Эти исследования говорят в пользу существования не только скрытой массы, но и темной энергии. Согласно уравнениям общей теории относительности Эйнштейна Вселенная может быть «плоской» только в том случае, если она обладает нужным количеством энергии. Материи, даже с учетом всей скрытой массы, просто не хватит, чтобы объяснить ничтожную степень кривизны, измеренную WMAP и приборами на аэростатах. Должна существовать еще какая‑то энергия. Темная энергия — единственный способ объяснить «плоскую» Вселенную без доступной измерениям кривизны трехмерного пространства и согласовать теорию с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными данными.

Темная энергия, на которую приходится основная часть — приблизительно 70% — всей существующей во Вселенной энергии, ставит перед учеными еще больше проблем, чем скрытая масса. Доказательством, убедившим физическое сообщество в существовании такой энергии, стало открытие того факта, что расширение Вселенной в настоящее время ускоряется — примерно так же, как это происходило в начале времен, в инфляционный период, но гораздо медленнее. В конце 1990–х гг. две независимые команды ученых, работавшие на космическом телескопе «Хаббл» над проектами по космологии сверхновых звезд (Supernova Cosmology Project) и по сверхновым звездам с большими красными смещениями (High‑z Supernova Team), удивили ученый мир открытием: скорость расширения Вселенной более не уменьшается, а наоборот, увеличивается.

До измерений сверхновых было получено несколько намеков на существование загадочной недостающей энергии, но доказательства были слишком слабыми. Однако в 1990–е гг. тщательные измерения показали, что отдаленные сверхновые звезды светят более тускло, чем ожидалось. Конкретный тип сверхновых отличается достаточно одинаковой и, главное, предсказуемой интенсивностью излучения, поэтому объяснить необычный фактор можно было только чем‑то новым. И этим новым стало, судя по всему, ускоренное расширение Вселенной, то есть сейчас считается, что Вселенная расширяется со все большей скоростью.

Ускорение, о котором идет речь, не могло возникнуть из‑за обычного вещества, гравитационное притяжение которого, наоборот, должно было бы замедлять расширение Вселенной. Единственным объяснением может быть Вселенная, расширяющаяся инфляционно, но с гораздо меньшей энергией, чем во время уже пережитой когда‑то фазы космологической инфляции. Причиной ускорения может быть только какая‑то сущность, играющая роль введенной Эйнштейном космологической константы, или, как ее назвали теперь, темная энергия.

В отличие от вещества, темная энергия оказывает на окружающее отрицательное давление. Обычное положительное давление побуждает вещество сжиматься, тогда как отрицательное давление вызывает все более быстрое расширение. Самый очевидный кандидат на роль источника отрицательного давления — космологическая постоянная Эйнштейна, представляющая энергию и давление, которые пронизывают Вселенную, но не связаны с веществом. Темная энергия — это более общий термин, которым мы в настоящее время пользуемся; тем самым мы допускаем, что соотношение между энергией и давлением, выраженное космологической константой, является не точным, а лишь приближенным.

Сегодня считается, что темная энергия — основной компонент энергии Вселенной. Это тем более замечательно, что плотность темной энергии, оказывается, чрезвычайно мала. Темная энергия доминирует во Вселенной на протяжении лишь нескольких последних миллиардов лет. До этого в эволюции Вселенной главную роль играли сначала излучение, затем вещество. Но плотность излучения и вещества снижается по мере их распределения по объему все расширяющейся Вселенной. С другой стороны, плотность темной энергии остается постоянной, несмотря на расширение. За то время, пока Вселенная достигла своего нынешнего возраста, плотность энергии в виде излучения и материи уменьшилась настолько, что на передний план вышла темная энергия, которая не «растекается» по растущему объему и не снижает своей плотности. Несмотря на невероятно низкую плотность темной энергии, когда‑нибудь она обязательно должна была перехватить лидерство. И вот после 10 млрд лет все более медленного расширения Вселенная наконец почувствовала влияние темной энергии и начала увеличивать скорость расширения. Со временем во Вселенной не останется ничего, кроме энергии вакуума, а ее расширение достигнет соответствующей скорости (рис. 77). Возможно, эта «кроткая» энергия и не будет определять развитие Земли, но Вселенную она, скорее всего, действительно получит в свое распоряжение.

РИС. 77. Вселенная в разное время своего существования расширялась по–разному. В инфляционной фазе она расширялась экспоненциально. После окончания инфляции началось расширение, соответствующее традиционной теории Большого взрыва. Теперь темная энергия заставляет скорость расширения вновь увеличиваться