Тёмные силы

Астрономы экспериментально доказали, что мы живём в мире, о котором не знаем ровным счётом ничего. За такие открытия теперь дают Нобелевскую премию.

Лишь в четвёртый раз в истории Нобелевской премии награду по физике присудили астрономам. Американские учёные Сол Перлмуттер, Адам Райсс и австралиец Брайан Шмидт открыли феномен ускоряющегося расширения Вселенной, а также первыми оценили грандиозную роль загадочной тёмной энергии, которую нельзя ни пощупать, ни увидеть.

Выдающиеся научные заслуги нынешней троицы лауреатов не вызывают сомнений: за это же открытие двое из них удостоились пять лет назад престижной премии Шао Ифу, которую нередко именуют «азиатской Нобелевкой».

Осенью 1998 года опубликованная в Astronomical Journal статья о «тёмной стороне силы» вызвала у специалистов настоящий шок. Да и сами авторы были так поражены полученными результатами, что долго искали ошибку в расчётах. Вскоре статья была признана важнейшей научной публикацией года — она заставила кардинально пересмотреть господствовавшие космологические представления.

Безбрежный океан

Для того, чтобы лучше узнать свойства нашей Вселенной, будущие лауреаты использовали в 1998 году космический телескоп имени Хаббла, с помощью которого можно наблюдать самые далёкие объекты. Они применили метод, основанный на регистрации вспышек далеких сверхновых звезд. В наблюдениях определяли видимый блеск звёзды, по которому рассчитывали расстояние, отделяющее её от Земли, а также красное смещение спектральных линий, позволяющее вычислить скорость, с которой звезда удаляется от нас.

Сопоставление результатов измерений позволило сделать удивительный вывод: чем дальше от нас звезда, тем выше скорость её «убегания».

А это значит, что Вселенная расширяется с ускорением, а вовсе не с замедлением, как считалось раньше. В то же время из классической механики следует, что ускоренное разбегание Вселенной возможно только в том случае, когда на звёзды и галактики действует сила, противодействующая тяготению, — антигравитация. Казалось бы, такого не может быть. Ведь вокруг нет ничего, кроме вакуума, а он, как мы привыкли считать со школьной скамьи, есть пустота.

Оказывается, это совсем не так. Космический вакуум содержит энергию, а значит, можно рассчитать её величину. Это и сделали нобелевские лауреаты. В пересчёте на условно бесконечные размеры Вселенной эта отрицательная величина приобретает поистине грандиозный размах. Иначе говоря, в космическом вакууме, который мы считали «ничем», содержится безбрежный океан энергии.

Учёные не знают, что это такое, но многие говорят о ней, как о некой тёмной энергии. Сегодня разрабатываются различные теоретические модели, позволяющие разгадать её природу, но все они далеки от завершения, а некоторые и вовсе уводят в сторону — впрочем, одновременно расширяя общую картину мира. Например, ещё до обнаружения антигравитации в космологии было сделано фундаментальное открытие — феномен так называемых скрытых масс, которые нередко путают с тёмной энергией.

У многих галактик-гигантов есть спутники — более мелкие галактики. Есть такие и у нашей Галактики. Их называют Магеллановыми Облаками. В соответствии с законом Кеплера с увеличением расстояния от центра основной Галактики скорость их «убегания» должна убывать. Но измерение скоростей показало, что этого не происходит, они остаются постоянными. И астрономы предположили, что в Галактике, кроме видимых звёзд, имеются и другие тяготеющие массы, распределённые вокруг центрального галактического диска. Эти массы и назвали скрытыми: до недавнего времени было принято считать, что раз они не светятся, то и обнаружить их невозможно. Позже оказалось, что скрытую массу можно наблюдать, причём с помощью оптических методов.

«Представим себе, что за большой по размеру скрытой массой находится далёкая галактика, — говорит главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, директор Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия) академик Рашид Сюняев. — Её излучение под влиянием гравитационного воздействия скрытой массы будет искажаться. В результате земной наблюдатель увидит не одну, а две совершенно одинаковые галактики и придёт к выводу о том, что сработал эффект «гравитационной линзы», роль которой сыграла эта скрытая масса».

Феномен скрытых масс наблюдается и у других галактик, образуя вокруг их ядра весьма протяжённую сферическую корону. Согласно последним данным, сферическая корона нашей Галактики простирается от её диска на 650 тысяч световых лет. Чтобы уравновесить движение звёзд и галактик-спутников, в этой короне должна быть сосредоточена масса, значительно превышающая массу всех видимых звёзд. Что представляет собой «строительный материал» этой короны? На эту роль астрономами предлагаются разные кандидаты: потухшие звёзды, чёрные дыры, остывшие белые карлики, межзвёздная пыль или даже реликтовые нейтрино, возникшие при Большом взрыве.

Так или иначе, но астрономам удалось посчитать среднюю плотность скрытой массы во Вселенной. Средняя плотность вещества светящихся звёзд, как и плотность энергии вакуума, известна. Если выразить соотношение этих цифр в процентах, то легко убедиться, что основная часть энергии мира — 67 процентов (по другим оценкам, 75 процентов) — приходится на космический вакуум, или тёмную энергию. На скрытую массу, обнаруживающую себя гравитацией, — 30 процентов, а на обычное вещество (всё звезды, планеты и наш с вами мир) — всего 3 процента. Поистине у нас есть все основания называть нашу Вселенную неизвестной!

С помощью мощных оптических и рентгеновских телескопов ученые несколько лет изучали наиболее массивные скопления из тысяч галактик, подобных нашей. Выяснилось, что если в период молодости Вселенной галактики активно прибавляли в массе, то примерно пять миллиардов лет назад начали активно «худеть». Фото: nasa.gov

 

Что было, что будет?

Открытие антигравитации космического вакуума проливает свет на прошлое и будущее Вселенной. Сегодня учёные предполагают, что сразу после Большого взрыва Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, а потом этот процесс постепенно стал замедляться. Ведь масса, которой обладает материя во Вселенной, точнее, свойственная ей гравитация, должна была бы постепенно тормозить расширение Вселенной. Теперь, когда открыта антигравитация, стало ясно, как заблуждались астрофизики, думая, что замедление продолжается.

«Самое удивительное, что в первые 7—8 миллиардов лет Вселенная действительно расширялась с замедлением, и изучение реликтового излучения подтверждает этот факт, — объясняет Рашид Сюняев. — Лишь когда Вселенная достаточно расширилась, вакуум стал набирать силу. Началось ускорение, которое продолжается сегодня».

Что будет дальше? Астрофизики приходят к выводу, что распределение вакуума по Вселенной равномерно: его плотность постоянна и однородна повсюду, во всех её уголках. Но раз вакуум неизменен, то и свойства пространства-времени, которые он определяет, также должны быть инвариантными. Мир, в котором господствует вакуум, в межзвёздных масштабах должен подчиняться геометрии Евклида и быть неизменным во времени. Следовательно, эволюция мира постепенно затухает, его пространственно-временной каркас, на фоне которого продолжается космологическое расширение, становится всё более статичным.

Что потом? Вероятно, начнётся новый виток истории мира — замедление расширения и сжатие Вселенной в одну точку. Так полагают сторонники теории «закрытой» Вселенной, утверждающие, что она, подобно человеческому сердцу, пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь. И, значит, представляет собой гигантский вечный двигатель. Но какие механизмы запускают этот процесс и поддерживают его в неизменном состоянии? На этот вопрос учёным ещё предстоит ответить, и эта задача не менее захватывающая, чем выяснение обстоятельств рождения Вселенной. В то же время сторонники теории «открытой» Вселенной считают, что она будет расширяться бесконечно долго, становясь всё более холодной, пустой и мёртвой.

Пружина бытия

В 2009 году сотрудник Института космических исследований РАН и Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра США доктор физико-математических наук Алексей Вихлинин решил взглянуть на эту проблему под другим углом.

«С помощью мощных оптических и рентгеновских телескопов по всему миру, а также американской космической обсерватории «Чандра» мы с коллегами несколько лет изучали наиболее массивные скопления из тысяч галактик, подобных нашей, — рассказывает учёный. — Выяснилось, что если в период молодости Вселенной галактики активно прибавляли в массе, то примерно пять миллиардов лет назад начали активно «худеть». С тех пор массы не растут».

Группе Вихлинина удалось внести некоторую ясность в абсолютно тёмный вопрос о природе загадочной энергии. Учёные описали её свойства числом, физический смысл которого можно сравнить с жёсткостью пружины: именно с такой силой тёмная энергия расталкивает галактики.

«От величины этой «жёсткости» зависит будущее Вселенной, — говорит Вихлинин. — Если она такая, как мы сегодня наблюдаем, то есть близка к минус единице, то тёмная энергия не сможет растащить находящиеся по соседству галактики, например наш Млечный Путь и туманность Андромеды. Под действием сил тяготения они в конце концов сольются, что сейчас уже наблюдается. Но на больших расстояниях тёмная энергия возьмёт своё, и галактики в конце концов уплывут за горизонт нашего мира. Значит, в будущем останется один огромный потомок Млечного Пути и Андромеды, вокруг которого не будет ничего».

Что станет с родной Вселенной, если «жёсткость» окажется намного меньше минус единицы? «Тогда расширение будет происходить более быстрыми темпами, и дело может кончиться Большим разрывом: вначале галактик, потом Солнечной системы, планет, других небесных тел, — предупреждает учёный. — Какой сценарий окажется более правдоподобным, должны показать предстоящие эксперименты».

Понять ход процесса учёные надеются и при помощи российско-германской орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», запуск которой запланирован на 2012 год. «Эта уникальная программа поможет подробнее изучить структуру Вселенной и понять, какую роль в её эволюции играет тёмная энергия, — говорит Рашид Сюняев. — Ожидается, что в результате работы обсерватории будет обнаружено около 100 тысяч новых скоплений галактик и более 3 миллионов новых активных ядер галактик, в центре которых предположительно находятся сверхмассивные чёрные дыры».

А что человечеству от этих знаний? Кроме понимания законов, по которым живёт наша Вселенная, и знания о том, что Млечный Путь и Андромеда сольются лет эдак через миллиард-другой, в этом есть и прямая практическая польза. По оценкам учёных, в ближайшие 20 лет они смогут узнать физические характеристики тёмной энергии и со временем научиться использовать её для решения энергетических проблем человечества. Это будет новое чёрное золото — только, в отличие от нефти, неисчерпаемое.

Наталия Лескова, http://www.itogi.ru/paradox/2011/42/170854.html" target="_blank">«Итоги»