Все о космосе

"Темная" Вселенная

В апреле 1920 г. в главной ауди­тории Национального музея естествознания Института Смитсона в Вашингтоне состоялась эпо­хальная дискуссия между Харлоу Шепли и Хебером Д. Куртисом на тему о масштабах Вселенной. Через 78 лет, в октябре 1998 г., в этом же историчес­ком для астрономии месте состоялась другая, не менее примечательная, дис­куссия, положившая начало формиро­ванию новых космологических концеп­ций. На сей раз речь шла о природе Вселеной и, в частности, о космологии, а еще более точно, о двух взаимосвязан­ных параметрах, характеризующих мироздание — X (плотность вещества во Вселенной) и Q (параметр, определяю­щий кривизну пространства). В обсуж­дении этого вопроса принимали учас­тие Джеймс Э. Пиблс и Майкл С. Тер­нер. Актуальность данной дискуссии была продиктована тем, что последние годы уходящего тысячелетия принесли огромное количество наблюдательного материала, полученного с использова­нием бурно развивающейся наземной техники, а также космического телес­копа им. Хаббла, на то время уже про­работавшего на орбите 8 лет. Дебаты сосредоточились на вопросе о плотнос­ти Вселенной. Другими словами, необ­ходимо было определиться, какова мас­са материи Вселенной, как она соотно­сится с критической массой и, в зависи­мости от этого, какова кривизна прос­транства — положительная, отрица­тельная, или равная нулю будет Все­ленная расширяться вечно, либо расширение сменится сжатием.

Драматизм момента заключался в том, что, постоянно совершенствуя технологии, увеличивая чувствитель­ность приборов, ученые получали все более детальные сведения о структуре Вселенной и пространства, при этом все больше убеждаясь, что наблюдае­мые явления не вписываются в рамки общепринятых теорий. Прежде всего, динамика движений звезд в галакти­ках и галактик в их скоплениях со­вершенно не могла быть объяснена только лишь их гравитационным вза­имодействием. Распределение ско­ростей компонентов крупномасштаб­ных пространственных структур, та­ких как сверхскопления галактик, а также их гравитационная связан­ность, требовали присутствия огромной невидимой гравитирующей мас­сы. Но что представляет собой эта за­гадочная скрытая масса? Ее присутс­твие ощутимо во многих процессах, наблюдаемых в космосе. Эта невиди­мая материя находится и в нашей Га­лактике. Мы живем в ее окружении, внутри нее.

Еще 10 лет назад астрономы были убеждены, что физический космос состоит из протонов, нейтронов, т. е. барионов и электронов. Сегодня предполагается, что в космосе, кро­ме наблюдаемого вещества, сущес­твует скрытая масса, как барионная, так и не барионная. Более того, не барионная материя, в зависимости от своих свойств, может быть горя­чей или холодной. Дальше — боль­ше.    Наличие   этих   колоссальных масс невидимой материи предпола­гает, что совокупная масса вещества превышает критическую, пространс­тво имеет положительную кривизну, т. е. расширение Вселенной должно замедляться.

Данные наблюдений, однако, гово­рят о противоположном. Детальный анализ параметров вспышек Сверхно­вых звезд, а также исследования скоп­лений галактик, расположенных от нас на разных расстояниях, показал, что расширение Вселенной является ускоренным. Этот феномен можно объяснить, если допустить что в кос­мосе существует еще и энергия, обла­дающая антигравитационным свойс­твом. Предполагается, что количество и свойства скрытой массы и темной энергии не постоянны на протяжении миллиардов лет развития Вселенной.

Итак, как писал Юрий Николае­вич Ефремов в нашем журнале*, "звезды, наши любимые звезды, сос­тавляют не более 1 процента массы Вселенной... И вообще, барионов лишь около 4 процентов, и большая их доля приходится на горячий газ, наблюдаемый в рентгеновском излу­чении скоплений галактик. А еще не­давно мы считали звезды самыми важными объектами".

С тех пор, как в представлениях об окружающем нас мире произошел столь кардинальный переворот, уче­ные занялись поиском носителей тем­ных компонентов мироздания.

Скрытая масса может содержаться в коричневых карликах и черных ды­рах. Коричневые карлики, недавно открытые объекты, представляют собой промежуточные образования между звездами и планетами. Они имеют массы менее одной двадцатой массы нашего Солнца. Давление и температуры в их ядрах недостаточ­ны для возникновения ядерных реак­ций синтеза, поэтому эти объекты мо­гут излучать только за счет энергии гравитационного сжатия. Обнаруже­ние таких объектов прямыми метода­ми крайне затруднено из-за их очень низкой светимости. Недавно были от­крыты массивные объекты, создающие своей гравитацией эффекты микролин-зирования. Они были названы астроно­мами МАЧО (MACHO, MAssive Com­pact Halo Objects — массивные компак­тные объекты гало). Черные дыры так­же могут содержать большой процент скрытой массы. Коричневые карлики, МАЧО и черные дыры могут наблю­даться благодаря их влиянию на види­мую материю во Вселенной.

Носителями не барионной темной материи могут являться гипотетичес­кие частицы WIMP (Weakly Interac­ting Massive Particles — слабо взаи­модействующие массивные частицы). Они должны принципиально отли­чаться от частиц барионной материи и могли образоваться на ранней ста­дии существования Вселенной. Одна­ко до сих пор эти частицы остаются лишь гипотетическими. Эксперимен­тально их существование пока не под­тверждено.

О наличии невидимого вещества свидетельствуют результаты исследо­ваний гравитационных линз, которые создаются при искривлении геомет­рии пространства массивными протя­женными объектами, такими как скопления галактик и облака межга­лактического газа.

Полученные космической рентге­новской обсерваторией Chandra снимки ионизированного газа в скоп­лениях галактик, разогретого до мно­гих миллионов градусов, позволили астрономам применить новый метод определения массы и энергии, содер­жащихся в нашей Вселенной. Изуча­емые скопления были предваритель­но тщательно отобраны и охватили большой диапазон расстояний — от одного до восьми миллиардов свето­вых лет от Земли. На снимках, полу­ченных Chandra, показаны три скоп­ления, фигурирующие в этом исследо­вании — Abell 2029, MS2137.3-2353 и MS1137.5+6624, так они выглядели, соответственно, 1, 3,5 и 6,7 млрд. лет назад. Скопления включают в себя сотни галактик, вложенных в облако из чрезвычайно горячего газа и неве­домого пока темного вещества, кото­рое "скрепляет" эти образования в единый ансамбль. Наблюдения в рентгеновском диапазоне дают уникаль­ную возможность определять отноше­ние массы разогретого газа к массе темного вещества в скоплении. При этом наблюдаемые соотношения, как выясняется, зависят от расстояния до этих объектов.

Скопления галактик представляют собой крупнейшие связанные струк­туры во Вселенной, и их характерис­тики должны быть одинаковы. Если это так, то соотношение количества разогретого газа и темного вещества должно быть, примерно, одним и тем же для каждого такого скопления. Используя эту гипотезу и выверяя расстояния, удалось показать, что расширение Вселенной сначала за­медлялось, а затем начало ускорять­ся, и произошло это приблизительно шесть миллиардов лет назад.

Существует много теорий относи­тельно природы темной энергии. Од­ну из концепций, объясняющую кос­мологические парадоксы мы уже об­суждали на страницах нашего жур­нала*.

Энн Нельсон (Ann Nelson), Дэвид Каплан (David Kaplan) и Нейл Вайнер (Neal Weiner) полагают, что сравни­тельно недавние открытия массы нейтрино и ускоряющегося расшире­ния Вселенной, связаны между со­бой, а также с темной энергией. Нельсон и ее коллеги считают, что су­ществование этой загадочной энер­гии может быть доказано в земных экспериментах. Теория, разработан­ная этими учеными, содержит ряд интересных предположений. Например, то, что масса нейтрино не посто­янна, а меняется в зависимости от ок­ружающей материи, через которую эта частица проносится. Но интерес­нее всего то, что ученые ввели в кар­тину мира новую субатомную части­цу — акселерон (acceleron), которая взаимодействует с материей еще сла­бее, чем нейтрино, и потому пока не наблюдалась в экспериментах. Эта частица, полагают американские фи­зики, и является носителем темной энергии. Акселероны должны взаи­модействовать с нейтрино, что и обус­лавливает влияние темной энергии на материю.

Это взаимодействие двух трудноу­ловимых частиц должно проявляться в ряде земных экспериментов с ней­трино как определенные аномалии, характер которых можно предсказать в соответствии с новой теорией, а зна­чит — можно косвенно уловить при­сутствие акселеронов.

В соответствии с этой теорией, в да­леком будущем произойдет резкое за­медление темпа расширения Вселен­ной вследствие роста массы нейтрино и уменьшения их взаимодействия с акселеронами.

Для исследования распределения вещества во Вселенной были исполь­зованы результаты миссий СОВЕ (1992) и WMAP (2001 — 2003), кото­рые были предприняты с целью изу­чения флуктуации реликтового мик­роволнового излучения, родившегося через 380 000 лет после Большого взрыва. Эти исследования подтверди­ли гипотезы, связанные с теориями Большого взрыва и инфляции, а если теоретические   предпосылки,   заложенные в основу этих миссий верны, то погрешность предсказаний плот­ностей барионной и не барионной ма­терии во Вселенной равна 5% .

Если предположить, что именно темная энергия ответственна за уско­ренное расширение Вселенной, то объединение результатов, получен­ных Chandra, с результатами миссии WMAP дает уже ставшие привычны­ми цифры: темная энергия составля­ет приблизительно 73 % Вселенной, темное вещество — 23 %, а на обыч­ное видимое вещество приходится только 4 %. То есть, новые данные находятся в полном согласии с теми, что получены с помощью космичес­кого телескопа им. Хаббла и других оптических телескопов, которые предоставили первые свидетельства ускоряющегося расширения Вселен­ной (в частности, это были наблюде­ния вспышек Сверхновых опреде­ленного типа — так называемых "стандартных свечей"). Таким обра­зом, независимая проверка Chandra усиливает позиции сторонников "космического ускорения".

"Темная энергия — это, возможно, самая большая тайна в физике, — за­явил руководитель группы исследо­вателей Стив Аллен (Steve Allen) из Института Астрономии (Institute of Astronomy — IoA) Кембриджского университета (Великобритания). — Чрезвычайно важно получить незави­симое свидетельство ее существова­ния и изучить хотя бы основные свойства".

Новые данные, правда, не дают от­вета на "животрепещущий" вопрос, меняется ли плотность темной энер­гии во Вселенной со временем. Если энергетическая плот­ность постоянна, то Вселенная продол­жит в будущем свое ускоренное расшире­ние. Однако, сохра­няется и возможность того, что плотность темной энергии мо­жет со временем воз­растать. В этом слу­чае скорость расши­рения Вселенной нас­только увеличится, что в отдаленном бу­дущем это приведет к разрыву не только га­лактик, звезд, пла­нет, но даже атомов, и случится то, что в научной и популяр­ной литературе уже

получило название "Большой Разрыв" (Big Rip). В том же случае, если плотность темной энергии уменьша­ется, расширение сменится сжатием и наш мир коллапсирует, т.е. прои­зойдет, так называемый, "Большой Хлопок" (Big Crunch).

Аллен и его коллеги теперь собира­ются использовать обсерваторию Chandra для того, чтобы изучить больше скоплений. Они надеются, что новые исследования позволят сузить диапазон подобных апокалипсичес­ких вариантов.

И все же, что представляет собой темная материя и темная энергия, на сегодняшний день, с уверенностью сказать никто не может. Поэтому мы еще не раз будем возвращаться к этой теме, привлекая к ее обсуждению ав­торитетных ученых.

Сергей Гордиенко,

Александр Головин