Страница:
Первый звоночек, свидетельствующий о том, что не все ладно в датском королевстве, прозвенел еще в 1933 году, когда американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки задумал измерить полную массу группы галактик по их светимости. Он поступил просто: подсчитал количество звезд в каждой галактике и умножил это число на среднюю массу звезды. Казалось бы, надежный и проверенный метод. Однако другой подход, основанный на законе всемирного тяготения и оценке скоростей звезд, дал несопоставимо большую величину массы. Цвикки подметил крайне любопытные аномалии в движении отдельных галактик внутри скопления. Любая случайно взятая галактика двигалась таким образом, словно общая масса скопления значительно превосходила сумму масс входящих в него галактик. Поскольку сей изрядный «довесок» невидим и может быть обнаружен только по характеру гравитационных возмущений, Цвикки предложил назвать его темной материей.
В то время научная общественность отреагировала на предложение Цвикки довольно вяло, и только 40 лет спустя о скрытой массе заговорили вновь. В 70-х годах прошлого века аномалии, подобные тем, какие обнаружил американский астроном, были выявлены в спиральных галактиках. Как известно, спиральные галактики в отличие от галактик другого типа (эллиптических и неправильных) вращаются, однако это вращение не имеет ничего общего с вращением детского волчка или юлы. Галактика не является сплошным твердым телом, а состоит из десятков миллиардов звезд, каждая из которых движется сама по себе, описывая замкнутую кривую вокруг галактического центра. Отсюда следует, что в соответствии с законами небесной механики скорость звезды по мере ее удаления от центра должна падать. Во всяком случае, планеты Солнечной системы ведут себя именно так: чем дальше планета отстоит от Солнца, тем ниже ее орбитальная скорость.
А вот движение звезд в спиральных галактиках по непонятной причине этому непреложному закону не подчиняется. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной величиной. Как разрешить эту малоприятную ситуацию? Положа руку на сердце, выбор у нас невелик. Одно из двух: либо массы галактик оцениваются неверно, либо законы Ньютона не универсальны и могут при определенных условиях нарушаться. Второй вариант выглядит слишком экстравагантно и большинством ученых всерьез не рассматривается, хотя отдельные еретики от физики допускают такую возможность. Скажем, израильтянин М. Мильгром сравнительно недавно предложил гипотезу, получившую название модифицированной ньютоновой динамики (МОНД). Согласно этой гипотезе, движение звезд, облаков межзвездного газа и других объектов во внешних слоях спиральных галактик подчиняется не закону Ньютона, а более общему закону, куда ньютонова механика входит как частный случай. Ускоренное движение звезд объясняется тем, что на больших расстояниях от галактического центра обычный закон Ньютона не выполняется, поскольку сила тяготения приобретает иную величину.
Тем не менее большинство специалистов точку зрения Мильгрома не разделяют. Модифицированная динамика не только грешит множеством откровенных натяжек, но и плохо согласуется с данными наблюдательной астрономии (так, она не в силах объяснить характер движения вещества в скоплениях галактик). Поэтому почти все астрофизики склонны объяснять аномалии в движении звезд присутствием невидимой (темной) материи, которая подобно огромному сферическому облаку окутывает каждую галактику. Расчеты показывают, что в случае нашей галактики диаметр такого гало должен быть не менее 300 тысяч световых лет, то есть в три раза превосходит диаметр Млечного Пути.
Но какова все-таки физическая природа этой необычной субстанции, на долю которой, как мы помним, приходится 25 %, – в шесть с лишним раз больше, чем обычного вещества, излучающего свет? Во-первых, кандидатами на роль носителей скрытой массы могут быть компактные тела, так называемые массивные астрофизические компактные объекты в гало Галактики – Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO). К числу таких темных образований относятся черные дыры, коричневые карлики, старые нейтронные звезды, облака из слабо взаимодействующих частиц и, возможно, белые карлики. Все они не должны светиться, в противном случае их бы давным-давно обнаружили. Коричневые карлики – это нечто среднее между газовыми планетами-гигантами и небольшими легкими звездами. Масса такого объекта не должна превышать 10 % массы Солнца, иначе внутри него вспыхнут термоядерные реакции, которые приведут к излучению света. Черные дыры и нейтронные звезды, претендующие на роль компактных объектов, тоже должны удовлетворять определенным условиям. Первые не имеют права быть слишком массивными, поскольку излучение от падающего на них вещества немедленно выдаст их с головой, а вторые должны иметь весьма солидный возраст, так как только старые нейтронные звезды практически не излучают и потому невидимы.
Под действием сил гравитации темная материя распределяется неравномерно, попросту говоря, скучивается, подобно обычной материи, и астрономы изучают характер этого распределения различными методами – по кривым вращения галактик, их крупномасштабной структуре, гравитационному линзированию и так далее. Под последним понимается возникновение ложных изображений, так как поля тяготения скрытой массы искажают траекторию движения света от далеких источников. Однако наблюдения показывают, что одних только компактных объектов явно недостаточно для успешного разрешения проблемы темной материи. Поэтому физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, полагают, что феномен скрытой массы связан в первую очередь с так называемыми WIMP – Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти гипотетические частицы пока не обнаружены, и то обстоятельство, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом, создает большие трудности для доказательства их существования. Такие частицы иногда называют холодной, или нерелятивистской, темной материей, поскольку они движутся со скоростями, много меньшими, чем скорость света. Однако их неторопливость с лихвой искупается весьма приличной весомостью, ибо масса слабо взаимодействующих частиц в 1000 и более раз превосходит массу атома водорода.
Кстати, помимо холодной во Вселенной присутствует и горячая темная материя в виде реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя, но их вклад в полную гравитационную массу-энергию не превышает полутора процентов. Как мы видим, работы у астрофизиков еще непочатый край, но сомневаться в реальном существовании темной материи сегодня уже не приходится, поскольку именно она вносит основной вклад в массу галактик.
Но еще более загадочными свойствами обладает темная энергия, на долю которой приходится 71 % полной массы-энергии Вселенной. В отличие от скрытой массы, она не скучивается под действием гравитации, но строго равномерно и однородно заполняет все пространство Вселенной, подобно идеальной сплошной среде, и всюду и всегда имеет постоянную плотность. Гипотеза темной энергии (которая, строго говоря, стала в наши дни полноправной теорией) появилась в 1998 году, когда две международные группы астрономов сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Этот фундаментальный факт, значение которого трудно переоценить, был установлен при наблюдениях за далекими сверхновыми звездами определенного типа (типа 1а). Такие сверхновые имеют исключительно высокую светимость, сопоставимую со светимостью целых галактик, в которых они вспыхивают, а потому хорошо видны на межгалактических расстояниях. Кроме того, уникальной особенностью сверхновых типа 1а является тот факт, что их собственная светимость в максимуме блеска лежит в очень узких пределах. Другими словами, мощность излучения звезд этого типа практически идентична, и потому их принято называть «стандартными свечами». Из школьного курса физики известно, что поток светового излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Таким образом, измеряя на Земле блеск сверхновой, вспыхнувшей в далекой галактике, и сравнивая его с реальной собственной светимостью источника (которая известна), можно вычислить расстояние до объекта. Особенно важны вспышки сверхновых типа 1а в очень далеких галактиках, поскольку становятся значимыми космологические эффекты и можно не только определить постоянную Хаббла, но и измерить параметр плотности Вселенной, то есть установить ее геометрию.
Наблюдательные данные по сверхновым типа 1а, накопленные к настоящему времени, позволяют с вероятностью 99 % утверждать, что Вселенная расширяется ускоренно. Причем весьма любопытно, что режим стандартного хаббловского расширения поменялся не вчера и не сегодня, а по крайней мере несколько миллиардов лет назад. Точную дату назвать трудно, но если верить архивным фотоснимкам звездного неба, наиболее удаленная от нас «стандартная свеча» горит на расстоянии в 10 миллиардов световых лет от планеты Земля. Ее светимость идеально вписывается в параметры фридмановской модели, из чего следует заключить, что еще 10 миллиардов лет тому назад Вселенная продолжала расширяться классически – в полном соответствии с законом Хаббла. Однако характер блеска более молодых сверхновых не позволяет усомниться в том, что 7–8 миллиардов лет назад темная энергия возобладала над силами гравитации и Вселенная стала расширяться быстрее.
Складывается впечатление, что динамикой мироздания управляет некое «распирающее» поле. Пока объем Вселенной сравнительно невелик, гравитация эффективно противодействуют расширению пространства, но рано или поздно наступает такой момент, когда плотность вещества падает ниже некоторой критической величины и поле, плотность которого со временем не меняется, начинает все энергичнее раздувать пространство. Более того, темп расширения оказывается в точности таким, что заставляет вспомнить пресловутую «лямбду», космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности еще в 1917 году. Вселенная Эйнштейна была статичной, и лямбда-член понадобился ему для того, чтобы уравновесить стягивающую силу гравитации универсальным космологическим отталкиванием: в противном случае вся материя должна неминуемо собраться в кучу. Сам Эйнштейн свою «лямбду» терпеть не мог и впоследствии называл введение лямбда-члена «самой большой ошибкой жизни». Однако после того как в 1922–1924 годах ленинградский математик А. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна, а американский астроном Эдвин Хаббл в 1929-м обнаружил красное смещение в спектрах далеких галактик, стало ясно, что Вселенная с момента своего рождения непрерывно эволюционирует, и про неудобную «лямбду» благополучно забыли. Забвение растянулось больше чем на 40 лет, и только на рубеже 60 – 70-х годов прошлого века о космологической постоянной заговорили снова. Из работ отечественных физиков-теоретиков Э. Б. Глинера, А. А. Старобинского, Я. Б. Зельдовича и некоторых других следовало, что вакуум может обладать ненулевой энергией. В этом случае гипотеза космологической постоянной эквивалентна представлению об идеально однородной среде, равномерно заполняющей всю Вселенную. Свойства такой среды весьма необычны: ее давление выражается отрицательной величиной, а плотность неизменна во времени и пространстве. А коль скоро давление отрицательно, то при постоянной плотности оно будет создавать антигравитационный эффект, ускоряя расширение Вселенной. Поэтому вполне вероятно, что темная энергия есть не что иное, как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением.
Вам это ничего не напоминает, читатель? Тогда вернитесь к началу прошлой главы, в которой речь шла о космологической инфляции – периоде сверхбыстрого расширения новорожденной Вселенной. Гипотетическое инфлатонное поле, эффективно раздувавшее пространство около точки «ноль», имело точно такие же характеристики – предельно сильное отрицательное давление и постоянную плотность, не меняющуюся со временем. Поэтому мы вправе предположить, что инфлатонное поле никуда не делось, а продолжает присутствовать в нашей Вселенной. Тогда темная энергия как раз и будет таким полем, находящимся в минимуме своего потенциала. Между прочим, отсюда вытекает важное следствие: эпоха инфляции качественно совершенно аналогична той, к которой наша Вселенная приближается сегодня. Бесспорно, разница между ними есть, но она носит сугубо количественный характер. Понятно, что на заре истории, в стадии раздувания все значения кривизны пространства-времени и эффективной плотности энергии были в колоссальное число раз больше, чем сейчас, но принципиальных отличий между этими двумя эпохами не усматривается.
Итак, до 1998 года можно было с уверенностью говорить о трех компонентах материи, равномерно заполняющих пространство Вселенной. Во-первых, это обычное вещество – протоны, нейтроны и электроны, из которых построены звезды, планеты и такая малость, как мы с вами. Во-вторых, это таинственная темная материя (скрытая масса), состоящая из нерелятивистских частиц, не излучающая света и практически не взаимодействующая с обычным веществом. Наконец, в-третьих, это «остаточное» излучение – реликтовые фотоны и нейтрино, сохранившиеся как отголосок горячего начала нашего мира. Не обнаруженные до сих пор гравитоны и некоторые другие ультрарелятивистские частицы тоже попадают в эту категорию. Эти три ипостаси мироздания обеспечивают всемирное тяготение, а вот четвертая компонента, на долю которой приходится две трети полной плотности современной Вселенной, выявлена совсем недавно и создает феномен универсального космологического отталкивания. Так что судьбой мира управляет некая сплошная среда с положительной постоянной плотностью и отрицательным давлением, причем в абсолютном выражении эти две величины равны между собой.
Относительно физической природы этой загадочной субстанции мы на сегодняшний день не можем сказать почти ничего. Если трактовать ее как своего рода космологическую постоянную, мы неизбежно упираемся в ювелирную точность исходных параметров, ту самую тонкую настройку, которая давно навязла в зубах. Получается, что начальная потенциальная энергия Вселенной была рассчитана настолько безукоризненно, что по мере последующего «спокойного» расширения сумела обеспечить такую критическую плотность нашего мира, которая сделала пространство почти идеально плоским. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» – спрашивают некоторые астрофизики. Правда, эти неувязки снимаются в сценарии хаотической инфляции А. Д. Линде: космологическая постоянная может принимать разные значения, и только там, где существуют звезды, галактики и вообще сложные структуры, она приобретает такую величину, которая допускает появление вопрошающего субъекта. Другими словами, темная энергия неравномерно распределена в пространстве, а потому версию божественного промысла можно со спокойной душой закрыть. В тех уголках мироздания, где значение космологической постоянной по воле слепого случая оказалось иным, спрашивать о ювелирной подгонке параметров попросту некому.
Между тем далеко не все физики готовы согласиться с такой постановкой вопроса и полагают, что плотность темной энергии имеет не вакуумную природу и может со временем меняться. Скажем, американцы Пол Стейнхардт и Ричард Колдуэлл думают, что под маской темной энергии прячется особое квантовое поле, которое может принимать переменные значения. В память об античных мыслителях они назвали его квинтэссенцией. Как известно, древние считали, что слагаемыми мироздания являются четыре стихии – земля, вода, огонь и воздух, но неугомонный Аристотель дополнил эту номенклатуру пятой сущностью – квинтэссенцией, из которой якобы состоят эфирные тела. В споры высоколобых теоретиков мы соваться не станем, а отметим только, что вопрос о физической природе темной энергии пока еще весьма далек от окончательного разрешения. Так или иначе, но ведущая роль темной энергии в эволюции Вселенной в наши дни сомнений уже не вызывает. Чем бы она ни являлась на микроскопическом уровне – особой энергией вакуума или геометрическим радикалом, вложенным в мироздание, – но факт остается фактом: на протяжении нескольких миллиардов лет наша Вселенная расширяется ускоренно, и тон этому расширению задает именно темная энергия – некая субстанция с отрицательным давлением и постоянной плотностью.
Исходя из вышесказанного, всю историю Вселенной можно разбить на четыре эпохи и описать четырехчленной формулой следующего вида:...ДС(И) – ФИ – ФМ – ДС... Первое звено этой формулы обозначает фазу инфляции (буква «И» в скобках), а сочетание «ДС» указывает на деситтеровский характер расширения. Хотя о голландском астрономе Виллеме Ситтере мы уже упоминали, необходимо сделать небольшое пояснение. Он был одним из первых ученых, признавших общую теорию относительности, однако стационарная модель Эйнштейна его не устраивала. Вселенная Эйнштейна описывалась римановой геометрией и представляла собой четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях может быть поверхность резиновой камеры или воздушного шарика. Такая Вселенная замкнута на себя и не имеет границ, хотя ее объем конечен. Луч света, если он не встречает препятствий, распространялся бы в такой модели по окружности (точнее, по геодезической линии, ибо кратчайшим путем между двумя точками на поверхности сферы является именно такая кривая).
Ситтер предложил динамическую модель пустой и непрерывно расширяющейся Вселенной, похожую на воздушный шарик, который все время надувают. По мере раздувания диаметр шарика постоянно растет, а его геометрия, продолжая оставаться римановской, все более и более приближается к геометрии Евклида. Другими словами, пространство в такой Вселенной становится все более плоским, а луч света движется не по окружности, а по непрерывно расширяющейся спирали. Однако Ситтеру крупно не повезло. Он слишком сильно опередил свое время, и его гипотеза осталась в памяти современников изящным и остроумным математическим казусом. Вселенная Ситтера расширялась по экспоненте (то есть в геометрической прогрессии в зависимости от времени), что в ту пору (в 1917 году) противоречило наблюдениям. А вот предложенная несколькими годами позже модель А. А. Фридмана настаивала на том, что объекты удаляются друг от друга со скоростью прямо пропорциональной расстоянию до них.
Сегодня мы понимаем, что это противоречие мнимое. И Фридман был не дурак, и Ситтер тоже не лаптем щи хлебал: каждый был по-своему прав. В эпоху инфляции пространство росло экспоненциально – в полном соответствии с выкладками Ситтера. А когда энергия поля, распирающего Вселенную, упала до минимума, режим расширения сразу же поменялся. И на стадии излучения (ФИ-фаза), когда Вселенная была раскаленным сгустком горячей плазмы, и на стадии рекомбинации (ФМ-фаза), когда излучение отделилось от вещества, наш мир расширялся пропорционально – по закону Фридмана – Хаббла. А вот когда Вселенная изрядно подросла и остыла, темная энергия снова вступила в свои права. Несколько миллиардов лет тому назад наступила эпоха доминирования темной энергии, которая продолжается до сих пор, и Вселенная снова начала расширяться ускоренно. А поскольку по своим динамическим параметрам современная эпоха почти ничем не отличается от стадии инфляции, А. А. Старобинский предложил назвать ее деситтеровской (аббревиатура ДС в правой части формулы).
Между прочим, проблема темной энергии имеет весьма любопытный философский аспект. До того момента, как сила универсального космологического отталкивания стала доминирующей, а Вселенная начала расширяться ускоренно, успело произойти много разных событий. Прежде чем выйти на режим ускоренного расширения, мир пережил эпоху инфляции (ДС(И) – стадия), фазу излучения (ФИ-стадия) и фазу доминирования темной материи (ФМ-стадия), когда излучение отделилось от вещества. Следовательно, мы имеем полное право предположить, что и фазе инфляции в левой части формулы предшествовали некие события.
А. А. Старобинский пишет:
А что можно сказать об отдаленном будущем нашей Вселенной? Что век грядущий нам готовит? На этот вопрос существует несколько ответов, ибо физическая природа темной энергии – до сих пор тайна за семью печатями. В простейшем случае, если энергия вакуума положительна и не меняется со временем, Вселенная будет расширяться неограниченно. Ночное небо начнет мало-помалу пустеть, так как все больше объектов будет уходить за горизонт событий, и через 10–20 миллиардов лет в распоряжении человечества останутся наша Галактика (Млечный Путь), соседняя туманность Андромеды да еще несколько галактик из так называемой Местной группы. Через 1014лет перестанут рождаться новые звезды и во Вселенной останутся только тела, почти не дающие света, – белые и коричневые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Но в конце концов погаснут и умрут все звезды, и через 1037лет в непомерно раздувшемся космосе нельзя будет найти ничего, кроме черных дыр и элементарных частиц. Но ведь ничто не вечно. За счет квантовых процессов черные дыры все-таки излучают, хотя и очень медленно, а потому рано или поздно они тоже испарятся. Это событие произойдет, когда возраст Вселенной составит 10100лет, и все мироздание окажется заполненным чрезвычайно разреженным газом из стабильных элементарных частиц – электронов, трех сортов нейтрино и, возможно, протонов. Мир вновь станет пуст, как библейская земля в начале начал, поскольку расстояние между двумя частицами будет намного превосходить размеры современной Вселенной.
Что и говорить, душераздирающее зрелище. Однако это еще цветочки, потому что существуют куда более катастрофические сценарии нашего далекого будущего. Один из них показывает, что в мире вообще ничего не останется. Дело в том, что если обычное расширение Вселенной в виде непрерывного прироста ее пространства не порождает никаких сил, действующих на физические тела, то темная энергия ведет себя совершенно иначе. Ускоренное раздувание аналогично появлению некоей силы, растягивающей все объекты. Сегодня ее величина исчезающе мала – в 1030раз слабее тяготения на поверхности Земли. Если ускорение будет неуклонно нарастать по экспоненте, то, в конце концов, дело закончится не только разрушением всех физических тел, но даже элементарных частиц, из которых построена вся материя. Вселенная превратится в распухающее ничто, опустеет в самом буквальном смысле слова. Эта модель, получившая название Большого разрыва (Big Rip по-английски), была предложена в 2003 году в статье Р. Р. Колдвелла, М. Камионковского и H. H. Вайнберга «Фантомная энергия и космический конец света». Однако не все так безнадежно: другие астрофизики, например уже знакомый нам Стивен Хокинг, полагают, что расширение рано или поздно сменится сжатием. Откровенно говоря, подобная перспектива тоже не сулит человечеству ничего хорошего, но это уже отдельная песня.
В то время научная общественность отреагировала на предложение Цвикки довольно вяло, и только 40 лет спустя о скрытой массе заговорили вновь. В 70-х годах прошлого века аномалии, подобные тем, какие обнаружил американский астроном, были выявлены в спиральных галактиках. Как известно, спиральные галактики в отличие от галактик другого типа (эллиптических и неправильных) вращаются, однако это вращение не имеет ничего общего с вращением детского волчка или юлы. Галактика не является сплошным твердым телом, а состоит из десятков миллиардов звезд, каждая из которых движется сама по себе, описывая замкнутую кривую вокруг галактического центра. Отсюда следует, что в соответствии с законами небесной механики скорость звезды по мере ее удаления от центра должна падать. Во всяком случае, планеты Солнечной системы ведут себя именно так: чем дальше планета отстоит от Солнца, тем ниже ее орбитальная скорость.
А вот движение звезд в спиральных галактиках по непонятной причине этому непреложному закону не подчиняется. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной величиной. Как разрешить эту малоприятную ситуацию? Положа руку на сердце, выбор у нас невелик. Одно из двух: либо массы галактик оцениваются неверно, либо законы Ньютона не универсальны и могут при определенных условиях нарушаться. Второй вариант выглядит слишком экстравагантно и большинством ученых всерьез не рассматривается, хотя отдельные еретики от физики допускают такую возможность. Скажем, израильтянин М. Мильгром сравнительно недавно предложил гипотезу, получившую название модифицированной ньютоновой динамики (МОНД). Согласно этой гипотезе, движение звезд, облаков межзвездного газа и других объектов во внешних слоях спиральных галактик подчиняется не закону Ньютона, а более общему закону, куда ньютонова механика входит как частный случай. Ускоренное движение звезд объясняется тем, что на больших расстояниях от галактического центра обычный закон Ньютона не выполняется, поскольку сила тяготения приобретает иную величину.
Тем не менее большинство специалистов точку зрения Мильгрома не разделяют. Модифицированная динамика не только грешит множеством откровенных натяжек, но и плохо согласуется с данными наблюдательной астрономии (так, она не в силах объяснить характер движения вещества в скоплениях галактик). Поэтому почти все астрофизики склонны объяснять аномалии в движении звезд присутствием невидимой (темной) материи, которая подобно огромному сферическому облаку окутывает каждую галактику. Расчеты показывают, что в случае нашей галактики диаметр такого гало должен быть не менее 300 тысяч световых лет, то есть в три раза превосходит диаметр Млечного Пути.
Но какова все-таки физическая природа этой необычной субстанции, на долю которой, как мы помним, приходится 25 %, – в шесть с лишним раз больше, чем обычного вещества, излучающего свет? Во-первых, кандидатами на роль носителей скрытой массы могут быть компактные тела, так называемые массивные астрофизические компактные объекты в гало Галактики – Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO). К числу таких темных образований относятся черные дыры, коричневые карлики, старые нейтронные звезды, облака из слабо взаимодействующих частиц и, возможно, белые карлики. Все они не должны светиться, в противном случае их бы давным-давно обнаружили. Коричневые карлики – это нечто среднее между газовыми планетами-гигантами и небольшими легкими звездами. Масса такого объекта не должна превышать 10 % массы Солнца, иначе внутри него вспыхнут термоядерные реакции, которые приведут к излучению света. Черные дыры и нейтронные звезды, претендующие на роль компактных объектов, тоже должны удовлетворять определенным условиям. Первые не имеют права быть слишком массивными, поскольку излучение от падающего на них вещества немедленно выдаст их с головой, а вторые должны иметь весьма солидный возраст, так как только старые нейтронные звезды практически не излучают и потому невидимы.
Под действием сил гравитации темная материя распределяется неравномерно, попросту говоря, скучивается, подобно обычной материи, и астрономы изучают характер этого распределения различными методами – по кривым вращения галактик, их крупномасштабной структуре, гравитационному линзированию и так далее. Под последним понимается возникновение ложных изображений, так как поля тяготения скрытой массы искажают траекторию движения света от далеких источников. Однако наблюдения показывают, что одних только компактных объектов явно недостаточно для успешного разрешения проблемы темной материи. Поэтому физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, полагают, что феномен скрытой массы связан в первую очередь с так называемыми WIMP – Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти гипотетические частицы пока не обнаружены, и то обстоятельство, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом, создает большие трудности для доказательства их существования. Такие частицы иногда называют холодной, или нерелятивистской, темной материей, поскольку они движутся со скоростями, много меньшими, чем скорость света. Однако их неторопливость с лихвой искупается весьма приличной весомостью, ибо масса слабо взаимодействующих частиц в 1000 и более раз превосходит массу атома водорода.
Кстати, помимо холодной во Вселенной присутствует и горячая темная материя в виде реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя, но их вклад в полную гравитационную массу-энергию не превышает полутора процентов. Как мы видим, работы у астрофизиков еще непочатый край, но сомневаться в реальном существовании темной материи сегодня уже не приходится, поскольку именно она вносит основной вклад в массу галактик.
Но еще более загадочными свойствами обладает темная энергия, на долю которой приходится 71 % полной массы-энергии Вселенной. В отличие от скрытой массы, она не скучивается под действием гравитации, но строго равномерно и однородно заполняет все пространство Вселенной, подобно идеальной сплошной среде, и всюду и всегда имеет постоянную плотность. Гипотеза темной энергии (которая, строго говоря, стала в наши дни полноправной теорией) появилась в 1998 году, когда две международные группы астрономов сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Этот фундаментальный факт, значение которого трудно переоценить, был установлен при наблюдениях за далекими сверхновыми звездами определенного типа (типа 1а). Такие сверхновые имеют исключительно высокую светимость, сопоставимую со светимостью целых галактик, в которых они вспыхивают, а потому хорошо видны на межгалактических расстояниях. Кроме того, уникальной особенностью сверхновых типа 1а является тот факт, что их собственная светимость в максимуме блеска лежит в очень узких пределах. Другими словами, мощность излучения звезд этого типа практически идентична, и потому их принято называть «стандартными свечами». Из школьного курса физики известно, что поток светового излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Таким образом, измеряя на Земле блеск сверхновой, вспыхнувшей в далекой галактике, и сравнивая его с реальной собственной светимостью источника (которая известна), можно вычислить расстояние до объекта. Особенно важны вспышки сверхновых типа 1а в очень далеких галактиках, поскольку становятся значимыми космологические эффекты и можно не только определить постоянную Хаббла, но и измерить параметр плотности Вселенной, то есть установить ее геометрию.
Наблюдательные данные по сверхновым типа 1а, накопленные к настоящему времени, позволяют с вероятностью 99 % утверждать, что Вселенная расширяется ускоренно. Причем весьма любопытно, что режим стандартного хаббловского расширения поменялся не вчера и не сегодня, а по крайней мере несколько миллиардов лет назад. Точную дату назвать трудно, но если верить архивным фотоснимкам звездного неба, наиболее удаленная от нас «стандартная свеча» горит на расстоянии в 10 миллиардов световых лет от планеты Земля. Ее светимость идеально вписывается в параметры фридмановской модели, из чего следует заключить, что еще 10 миллиардов лет тому назад Вселенная продолжала расширяться классически – в полном соответствии с законом Хаббла. Однако характер блеска более молодых сверхновых не позволяет усомниться в том, что 7–8 миллиардов лет назад темная энергия возобладала над силами гравитации и Вселенная стала расширяться быстрее.
Складывается впечатление, что динамикой мироздания управляет некое «распирающее» поле. Пока объем Вселенной сравнительно невелик, гравитация эффективно противодействуют расширению пространства, но рано или поздно наступает такой момент, когда плотность вещества падает ниже некоторой критической величины и поле, плотность которого со временем не меняется, начинает все энергичнее раздувать пространство. Более того, темп расширения оказывается в точности таким, что заставляет вспомнить пресловутую «лямбду», космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности еще в 1917 году. Вселенная Эйнштейна была статичной, и лямбда-член понадобился ему для того, чтобы уравновесить стягивающую силу гравитации универсальным космологическим отталкиванием: в противном случае вся материя должна неминуемо собраться в кучу. Сам Эйнштейн свою «лямбду» терпеть не мог и впоследствии называл введение лямбда-члена «самой большой ошибкой жизни». Однако после того как в 1922–1924 годах ленинградский математик А. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна, а американский астроном Эдвин Хаббл в 1929-м обнаружил красное смещение в спектрах далеких галактик, стало ясно, что Вселенная с момента своего рождения непрерывно эволюционирует, и про неудобную «лямбду» благополучно забыли. Забвение растянулось больше чем на 40 лет, и только на рубеже 60 – 70-х годов прошлого века о космологической постоянной заговорили снова. Из работ отечественных физиков-теоретиков Э. Б. Глинера, А. А. Старобинского, Я. Б. Зельдовича и некоторых других следовало, что вакуум может обладать ненулевой энергией. В этом случае гипотеза космологической постоянной эквивалентна представлению об идеально однородной среде, равномерно заполняющей всю Вселенную. Свойства такой среды весьма необычны: ее давление выражается отрицательной величиной, а плотность неизменна во времени и пространстве. А коль скоро давление отрицательно, то при постоянной плотности оно будет создавать антигравитационный эффект, ускоряя расширение Вселенной. Поэтому вполне вероятно, что темная энергия есть не что иное, как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением.
Вам это ничего не напоминает, читатель? Тогда вернитесь к началу прошлой главы, в которой речь шла о космологической инфляции – периоде сверхбыстрого расширения новорожденной Вселенной. Гипотетическое инфлатонное поле, эффективно раздувавшее пространство около точки «ноль», имело точно такие же характеристики – предельно сильное отрицательное давление и постоянную плотность, не меняющуюся со временем. Поэтому мы вправе предположить, что инфлатонное поле никуда не делось, а продолжает присутствовать в нашей Вселенной. Тогда темная энергия как раз и будет таким полем, находящимся в минимуме своего потенциала. Между прочим, отсюда вытекает важное следствие: эпоха инфляции качественно совершенно аналогична той, к которой наша Вселенная приближается сегодня. Бесспорно, разница между ними есть, но она носит сугубо количественный характер. Понятно, что на заре истории, в стадии раздувания все значения кривизны пространства-времени и эффективной плотности энергии были в колоссальное число раз больше, чем сейчас, но принципиальных отличий между этими двумя эпохами не усматривается.
Итак, до 1998 года можно было с уверенностью говорить о трех компонентах материи, равномерно заполняющих пространство Вселенной. Во-первых, это обычное вещество – протоны, нейтроны и электроны, из которых построены звезды, планеты и такая малость, как мы с вами. Во-вторых, это таинственная темная материя (скрытая масса), состоящая из нерелятивистских частиц, не излучающая света и практически не взаимодействующая с обычным веществом. Наконец, в-третьих, это «остаточное» излучение – реликтовые фотоны и нейтрино, сохранившиеся как отголосок горячего начала нашего мира. Не обнаруженные до сих пор гравитоны и некоторые другие ультрарелятивистские частицы тоже попадают в эту категорию. Эти три ипостаси мироздания обеспечивают всемирное тяготение, а вот четвертая компонента, на долю которой приходится две трети полной плотности современной Вселенной, выявлена совсем недавно и создает феномен универсального космологического отталкивания. Так что судьбой мира управляет некая сплошная среда с положительной постоянной плотностью и отрицательным давлением, причем в абсолютном выражении эти две величины равны между собой.
Относительно физической природы этой загадочной субстанции мы на сегодняшний день не можем сказать почти ничего. Если трактовать ее как своего рода космологическую постоянную, мы неизбежно упираемся в ювелирную точность исходных параметров, ту самую тонкую настройку, которая давно навязла в зубах. Получается, что начальная потенциальная энергия Вселенной была рассчитана настолько безукоризненно, что по мере последующего «спокойного» расширения сумела обеспечить такую критическую плотность нашего мира, которая сделала пространство почти идеально плоским. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» – спрашивают некоторые астрофизики. Правда, эти неувязки снимаются в сценарии хаотической инфляции А. Д. Линде: космологическая постоянная может принимать разные значения, и только там, где существуют звезды, галактики и вообще сложные структуры, она приобретает такую величину, которая допускает появление вопрошающего субъекта. Другими словами, темная энергия неравномерно распределена в пространстве, а потому версию божественного промысла можно со спокойной душой закрыть. В тех уголках мироздания, где значение космологической постоянной по воле слепого случая оказалось иным, спрашивать о ювелирной подгонке параметров попросту некому.
Между тем далеко не все физики готовы согласиться с такой постановкой вопроса и полагают, что плотность темной энергии имеет не вакуумную природу и может со временем меняться. Скажем, американцы Пол Стейнхардт и Ричард Колдуэлл думают, что под маской темной энергии прячется особое квантовое поле, которое может принимать переменные значения. В память об античных мыслителях они назвали его квинтэссенцией. Как известно, древние считали, что слагаемыми мироздания являются четыре стихии – земля, вода, огонь и воздух, но неугомонный Аристотель дополнил эту номенклатуру пятой сущностью – квинтэссенцией, из которой якобы состоят эфирные тела. В споры высоколобых теоретиков мы соваться не станем, а отметим только, что вопрос о физической природе темной энергии пока еще весьма далек от окончательного разрешения. Так или иначе, но ведущая роль темной энергии в эволюции Вселенной в наши дни сомнений уже не вызывает. Чем бы она ни являлась на микроскопическом уровне – особой энергией вакуума или геометрическим радикалом, вложенным в мироздание, – но факт остается фактом: на протяжении нескольких миллиардов лет наша Вселенная расширяется ускоренно, и тон этому расширению задает именно темная энергия – некая субстанция с отрицательным давлением и постоянной плотностью.
Исходя из вышесказанного, всю историю Вселенной можно разбить на четыре эпохи и описать четырехчленной формулой следующего вида:...ДС(И) – ФИ – ФМ – ДС... Первое звено этой формулы обозначает фазу инфляции (буква «И» в скобках), а сочетание «ДС» указывает на деситтеровский характер расширения. Хотя о голландском астрономе Виллеме Ситтере мы уже упоминали, необходимо сделать небольшое пояснение. Он был одним из первых ученых, признавших общую теорию относительности, однако стационарная модель Эйнштейна его не устраивала. Вселенная Эйнштейна описывалась римановой геометрией и представляла собой четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях может быть поверхность резиновой камеры или воздушного шарика. Такая Вселенная замкнута на себя и не имеет границ, хотя ее объем конечен. Луч света, если он не встречает препятствий, распространялся бы в такой модели по окружности (точнее, по геодезической линии, ибо кратчайшим путем между двумя точками на поверхности сферы является именно такая кривая).
Ситтер предложил динамическую модель пустой и непрерывно расширяющейся Вселенной, похожую на воздушный шарик, который все время надувают. По мере раздувания диаметр шарика постоянно растет, а его геометрия, продолжая оставаться римановской, все более и более приближается к геометрии Евклида. Другими словами, пространство в такой Вселенной становится все более плоским, а луч света движется не по окружности, а по непрерывно расширяющейся спирали. Однако Ситтеру крупно не повезло. Он слишком сильно опередил свое время, и его гипотеза осталась в памяти современников изящным и остроумным математическим казусом. Вселенная Ситтера расширялась по экспоненте (то есть в геометрической прогрессии в зависимости от времени), что в ту пору (в 1917 году) противоречило наблюдениям. А вот предложенная несколькими годами позже модель А. А. Фридмана настаивала на том, что объекты удаляются друг от друга со скоростью прямо пропорциональной расстоянию до них.
Сегодня мы понимаем, что это противоречие мнимое. И Фридман был не дурак, и Ситтер тоже не лаптем щи хлебал: каждый был по-своему прав. В эпоху инфляции пространство росло экспоненциально – в полном соответствии с выкладками Ситтера. А когда энергия поля, распирающего Вселенную, упала до минимума, режим расширения сразу же поменялся. И на стадии излучения (ФИ-фаза), когда Вселенная была раскаленным сгустком горячей плазмы, и на стадии рекомбинации (ФМ-фаза), когда излучение отделилось от вещества, наш мир расширялся пропорционально – по закону Фридмана – Хаббла. А вот когда Вселенная изрядно подросла и остыла, темная энергия снова вступила в свои права. Несколько миллиардов лет тому назад наступила эпоха доминирования темной энергии, которая продолжается до сих пор, и Вселенная снова начала расширяться ускоренно. А поскольку по своим динамическим параметрам современная эпоха почти ничем не отличается от стадии инфляции, А. А. Старобинский предложил назвать ее деситтеровской (аббревиатура ДС в правой части формулы).
Между прочим, проблема темной энергии имеет весьма любопытный философский аспект. До того момента, как сила универсального космологического отталкивания стала доминирующей, а Вселенная начала расширяться ускоренно, успело произойти много разных событий. Прежде чем выйти на режим ускоренного расширения, мир пережил эпоху инфляции (ДС(И) – стадия), фазу излучения (ФИ-стадия) и фазу доминирования темной материи (ФМ-стадия), когда излучение отделилось от вещества. Следовательно, мы имеем полное право предположить, что и фазе инфляции в левой части формулы предшествовали некие события.
А. А. Старобинский пишет:
Все 4 стадии и переходы между ними, включенные в эту формулу, могут быть рассчитаны теоретически и исследованы по существующим наблюдательным данным. Однако можно ли думать, что эта цепь заключает в себе всю эволюцию нашей Вселенной в прошлом и будущем? Полагаю, что нет. Как раз наоборот, замечательная качественная аналогия между ДС(И) – и ДС-стадиями, объясненная выше, подсказывает нам, что эта цепь – лишь маленький кусочек чего-то существенно большего, может быть, даже бесконечного. Посмотрим вдоль формулы справа налево. Мы видим, что перед ДС-стадией была длинная и разнообразная предыстория. Тогда естественно ожидать, что и ДС(И) – стадия имела свою предысторию (многоточие слева от формулы). Теперь взглянем слева направо. Очевидно, что ДС(И) – стадия была неустойчивой, первичная темная энергия распалась в другие (в том числе в обычные) виды материи. Почему тогда современная темная энергия обязана быть стабильной и не может превращаться в другие виды материи в будущем (многоточие справа от формулы)?Разумеется, продолжительность ДС-стадии многократно превышает фазу инфляции, поскольку квантовые системы с меньшей полной энергией гораздо более устойчивы. Что же касается доинфляционной истории нашего мира, то большинство современных космологических моделей запрещают многоточие слева от формулы и настаивают на возникновении Вселенной из ничего (from nothing). Однако, по мнению А. А. Старобинского, существует бесчисленное множество других сценариев, в которых ДС(И) – стадии предшествует нечто. Он пишет, что вместе с Я. Б. Зельдовичем они сформулировали прямо противоположную концепцию рождения Вселенной «из чего угодно» (from anything), однако, ввиду крайнего ее экстремизма, не рассматривает ее подробно. Одним словом, попытки узнать, что предшествовало фазе инфляции, не прекращаются, и быть может, нас ждет на этом пути еще много интересных открытий. Так или иначе, но мир оказался неизмеримо сложней, чем представлялось ученым еще каких-нибудь 30 лет назад.
А что можно сказать об отдаленном будущем нашей Вселенной? Что век грядущий нам готовит? На этот вопрос существует несколько ответов, ибо физическая природа темной энергии – до сих пор тайна за семью печатями. В простейшем случае, если энергия вакуума положительна и не меняется со временем, Вселенная будет расширяться неограниченно. Ночное небо начнет мало-помалу пустеть, так как все больше объектов будет уходить за горизонт событий, и через 10–20 миллиардов лет в распоряжении человечества останутся наша Галактика (Млечный Путь), соседняя туманность Андромеды да еще несколько галактик из так называемой Местной группы. Через 1014лет перестанут рождаться новые звезды и во Вселенной останутся только тела, почти не дающие света, – белые и коричневые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Но в конце концов погаснут и умрут все звезды, и через 1037лет в непомерно раздувшемся космосе нельзя будет найти ничего, кроме черных дыр и элементарных частиц. Но ведь ничто не вечно. За счет квантовых процессов черные дыры все-таки излучают, хотя и очень медленно, а потому рано или поздно они тоже испарятся. Это событие произойдет, когда возраст Вселенной составит 10100лет, и все мироздание окажется заполненным чрезвычайно разреженным газом из стабильных элементарных частиц – электронов, трех сортов нейтрино и, возможно, протонов. Мир вновь станет пуст, как библейская земля в начале начал, поскольку расстояние между двумя частицами будет намного превосходить размеры современной Вселенной.
Что и говорить, душераздирающее зрелище. Однако это еще цветочки, потому что существуют куда более катастрофические сценарии нашего далекого будущего. Один из них показывает, что в мире вообще ничего не останется. Дело в том, что если обычное расширение Вселенной в виде непрерывного прироста ее пространства не порождает никаких сил, действующих на физические тела, то темная энергия ведет себя совершенно иначе. Ускоренное раздувание аналогично появлению некоей силы, растягивающей все объекты. Сегодня ее величина исчезающе мала – в 1030раз слабее тяготения на поверхности Земли. Если ускорение будет неуклонно нарастать по экспоненте, то, в конце концов, дело закончится не только разрушением всех физических тел, но даже элементарных частиц, из которых построена вся материя. Вселенная превратится в распухающее ничто, опустеет в самом буквальном смысле слова. Эта модель, получившая название Большого разрыва (Big Rip по-английски), была предложена в 2003 году в статье Р. Р. Колдвелла, М. Камионковского и H. H. Вайнберга «Фантомная энергия и космический конец света». Однако не все так безнадежно: другие астрофизики, например уже знакомый нам Стивен Хокинг, полагают, что расширение рано или поздно сменится сжатием. Откровенно говоря, подобная перспектива тоже не сулит человечеству ничего хорошего, но это уже отдельная песня.