Темная материя - это умирающие звезды.

Величайшая тайна астрономии более 70 лет вдохновляла авторов научно-фантастических романов и кинофильмов. Речь идет о невидимой темной материи, из которой состоит большая часть Вселенной. Международная группа ученых, возглавляемая Беном Оппенхаймером, напала на след этой непостижимой темной материи.
Исследователи скрупулезно изучали несколько снимков нашей галактики, сделанных из Южного полушария, и, к своему удивлению, открыли на небольшом участке 38(!) не известных науке белых карликов.
Этих неуловимых карликов выследили в окружности 450 световых лет в так называемом галактическом гало Млечного Пути - сфере, в которую вписывается имеющая форму диска галактика.
Обнаруженные карлики имеют почти такие же размеры, как наша Земля, и испускают очень слабое свечение. В течение нескольких десятилетий несовершенные приборы не позволяли астрономам "разглядеть" их на звездном небе, поэтому ученые причисляли невидимые звезды к темной материи.
Если плотность белых карликов сравнить со средней плотностью материи в гало, то получается, что в этой области галактики мертвые звезды составляют примерно около 35 процентов темной материи. Поэтому ученые считают, что они узнали по крайней мере часть тайны темной материи - невидимой, загадочной, никакими способами не регистрируемой, о существовании которой имеются только косвенные сведения.


Материя - призрак Первый ком с горы, давший толчок неудержимой лавине опровержений и гипотез, бросил в 1933 году швейцарский астрофизик Фриц Цвики. В результате длительных наблюдений и расчетов он пришел к выводу, что движение звезд, составляющих галактику, не полностью объясняется их взаимным влиянием, поэтому там должны находиться не только видимые звезды, но и невидимые небесные тела. В то время сенсационное утверждение Цвики произвело переполох в консервативной академической науке. Теперь астрономы считают, что большая часть любой галактики для нас невидима - слишком "темная", чтобы ее мог зарегистрировать даже самый мощный телескоп. Млечный Путь, наша родная галактика, тоже не исключение.
Львиная доля темной материи, вероятно, находится в галактическом гало. Именно в этой части галактики измеренная скорость вращения газовых ореолов вокруг звезд не соответствует силам взаимного притяжения звезд и газа. Наблюдения подтверждают, что темная материя на 35% состоит из настоящих материальных частиц.
Из таких же элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов) образуются звезды, планеты и, в конечном счете, люди. Но большую часть темной материи, вероятно, составляют частицы-призраки, связь которых с реальной материей пока не ясна. Эти частички открыты относительно недавно: тяжелые нейтрино, так называемые нейтралино, фотино, аксионы...


Гравитационные линзы - косвенное доказательство В основе этой гипотезы лежит предположение, что погасшие звезды, так называемые белые карлики, испускают очень слабое излучение, и с большого расстояния их невозможно "выследить". Таким образом, невидимые звезды неизбежно являются частью темной материи и обнаруживаются благодаря силе гравитации.
В 1995 году в Университете Пенсильвании Чарльзу Элкоку удалось собрать достаточное количество косвенных доказательств существования невидимых карликов. Он чисто теоретически "примерил" воздействие предполагаемых "темных" звезд на соседние яркие звезды.
У астрономов такая методика хорошо известна и широко применяется. При этом используется свойство небесных тел собирать силой своего притяжения световые лучи в пучок, подобно линзам. По силе и продолжительности этого эффекта можно судить о массе тела. Элкок подсчитал, что в гало нашей галактики от 8 до 50 процентов общей массы приходится на темные тела. Он даже обнаружил отдельные невидимые объекты, обладающие такой же массой, как видимые белые карлики.
Оппенхаймер подчеркивает, что белые карлики в галактическом гало не только вычислены теоретически, но и впервые зарегистрированы по самым прямым и непосредственным признакам!
Чтобы понять их связь с загадкой темной материи, необходимо выяснить, что представляют собой белые карлики.
В принципе, это ядра догоревших звезд, оставшиеся после того, как все внешние оболочки ускользнули в другие области Вселенной, где произошли вспышки суперновых звезд. Эти ядра по размерам не больше Земли, но у них колоссальная масса, которая примерно равна половине массы нашего Солнца. Так заканчивают свое существование примерно 94% всех звезд: их постигает удел белых карликов.


Белые карлики - не белые, а голубые Двое ученых - Брэд Хансен из Принстонского университета и Дидье Сомон из Университета Вандербильта - высказали гипотезу, что карлики, остывшие до критической температуры 4200 градусов по Цельсию, начинают излучать голубоватое свечение. Причиной этого являются молекулы водорода, которые на белых карликах находятся под огромным давлением. Эти молекулы водорода поглощают инфракрасные лучи, а излучают в пространство лучи синеватой части спектра.
Но когда белые карлики испускают настолько слабое свечение, что с Земли его уже не видно, их можно причислить к темной материи. В 2001 году Бен Оппенхаймер доказал эти теоретические построения на примере голубоватого карлика, открытого в 1997 году.
Вскоре после этого были открыты в гало Млечного Пути еще три голубых остывших карлика. Теперь многочисленные научные лаборатории обследуют галактическое гало в поисках остывших белых карликов. К 2002 году нашли уже 38 остывающих карликов, причем 34 из них до такой степени остыли, что они фактически не белые, а действительно ярко-голубые.


Темная материя раскрывает тайну возникновения галактики Изучение белых карликовпоможет узнать, что произошло в первые миллиарды лет после Большого взрыва - первоначального толчка, положившего начало галактике. Эти погасшие темные звезды - последние свидетели первых дней нашей галактики, то есть космических событий, происходивших 10-13 миллиардов лет назад.
Белых карликов можно сравнить с ископаемыми скелетами доисторических животных, по которым ученые узнают о доисторическом прошлом Земли. По самым старым, давно угасшим звездам тоже можно выяснить, как развивалась галактика, как возникали, жили и умирали звезды - нынешние белые карлики.
Поиски неизвестных белых карликов продолжаются с применением самых совершенных технических средств, причем в обсерваториях не только Южного, но и Северного полушария. Может быть, совсем скоро, при жизни нынешних поколений, астрономы доберутся и до других тайн темной материи...

Э. Мельников.

Темная материя

Что будет с нашим миром?

После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10^–29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10³⁰ на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.

Свидетельства существования темной материи

Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.

Рассчитанная и измеренная скорость вращения звезд в зависимости от расстояния до центра галактики (изображение с сайта www.astronomy.ohio-state.edu)

Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.

Фотофакт Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп. Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5–10% от массы Солнца.

Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10^–29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.

Что это?

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.

Барионная темная материя

Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.

Небарионная темная материя

В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс², энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.

Темная энергия

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.

Темная материя и темная энергия во Вселенной

В. А. Рубаков,
Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия

1. Введение

Естествознание сейчас находится в начале нового, необычайно интересного этапа своего развития. Он замечателен прежде всего тем, что наука о микромире — физика элементарных частиц — и наука о Вселенной — космология — становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Различными методами они отвечают на одни и те же вопросы: какой материей наполнена Вселенная сегодня? Какова была её эволюция в прошлом? Какие процессы, происходившие между элементарными частицами в ранней Вселенной, привели в конечном итоге к её современному состоянию? Если сравнительно недавно обсуждение такого рода вопросов останавливалось на уровне гипотез, то сегодня имеются многочисленные экспериментальные и наблюдательные данные, позволяющие получать количественные (!) ответы на эти вопросы. Это — еще одна особенность нынешнего этапа: космология за последние 10–15 лет стала точной наукой. Уже сегодня данные наблюдательной космологии имеют высокую точность; еще больше информации о современной и ранней Вселенной будет получено в ближайшие годы.
Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Сегодня мы знаем всё или почти всё о тех «кирпичиках», их которых состоит обычное вещество — атомы, атомные ядра, входящие в состав ядер протоны и нейтроны, — и о том, как взаимодействуют между собой эти «кирпичики» на расстояниях вплоть до 1/1000 размера атомного ядра (рис. 1). Это знание получено в результате многолетних экспериментальных исследований, в основном на ускорителях, и теоретического осмысления этих экспериментов. Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной. Скорее всего, речь идет о целом пласте новых явлений в физике микромира, и вполне возможно, что этот пласт явлений будет открыт в земных лабораториях в недалеком будущем.

Рис. 1. Известные элементарные частицы. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, сами состоят из кварков, которые сегодня считаются элементарными. В природе существуют также электроны и их более тяжелые короткоживущие аналоги — мюоны (μ) и тау-лептоны (τ). Кроме этого, в природе имеются нейтрино трех типов, vе, vμ и vτ. Нейтрино не имеют электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: в качестве иллюстрации, они пронизывают Землю или Солнце практически свободно. На рисунке не показаны фотоны и другие частицы, ответственные за взаимодействия, — глюоны, W±- и Z-бозоны.

Еще более удивительным результатом наблюдательной космологии стало указание на существование совершенно новой формы материи — «темной энергии».
Каковы свойства темной материи и темной энергии? Какие космологические данные свидетельствуют об их существовании? О чем оно говорит с точки зрения физики микромира? Каковы перспективы изучения темной материи и темной энергии в земных условиях? Этим вопросам и посвящена предлагаемая Вашему вниманию лекция.

3. Вселенная в прошлом

Обсудим два этапа эволюции Вселенной, о которых сегодня имеются надежные наблюдательные данные. Один из них, относительно недавний — это этап перехода вещества во Вселенной из состояния плазмы в газообразное состояние. Это произошло при температуре 3000 градусов, а возраст Вселенной к тому моменту составлял 300 тыс. лет (совсем немного по сравнению с современными 14 млрд лет). До этого электроны и протоны двигались отдельно друг от друга, вещество представляло из себя плазму. При температуре 3000 градусов произошло объединение электронов и протонов в атомы водорода, и Вселенная оказалась заполненной этим газом. Важно, что плазма непрозрачна для электромагнитного излучения; фотоны всё время излучаются, поглощаются, рассеиваются на электронах плазмы. Газ, наоборот, прозрачен. Значит, пришедшее к нам электромагнитное излучение с температурой 2,7 градуса свободно путешествовало во Вселенной с момента перехода плазма—газ, остыв (покраснев) с тех пор в 1100 раз из-за расширения Вселенной. Это реликтовое электромагнитное излучение сохранило в себе информацию о состоянии Вселенной в момент перехода плазма—газ; с его помощью мы имеем фотоснимок (буквально!) Вселенной в возрасте 300 тыс. лет, когда её температура составляла 3000 градусов.
Измеряя температуру этого реликтового электромагнитного излучения, пришедшего к нам с разных направлений на небе, мы узнаём, какие области были теплее или холоднее (а значит, плотнее или разреженнее), чем в среднем по Вселенной, а главное — насколько они были теплее или холоднее. Результат этих измерений состоит в том, что Вселенная в возрасте 300 тыс. лет была гораздо более однородной, чем сегодня: вариации температуры и плотности составляли тогда менее 10^–4 (0,01%) от средних значений. Тем не менее, эти вариации существовали: с разных направлений электромагнитное излучение приходит с несколько различной температурой. Это показано на рис. 3, где изображено распределение температуры по небесной сфере (фотоснимок ранней Вселенной) за вычетом средней температуры 2,725 градусов Кельвина; более холодные области показаны синим, более теплые — красным цветом⁴.
Фотоснимок, изображенный на рис. 3, привел к нескольким важным и неожиданным выводам. Во-первых, он позволил установить, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точности евклидово: сумма углов треугольника в нем равна 180 градусов даже для треугольников со сторонами, длины которых сравнимы с размером видимой части Вселенной, т. е. сравнимы с 14 млрд световых лет. Вообще говоря, общая теория относительности допускает, что пространство может быть не евклидовым, а искривленным; наблюдательные же данные свидетельствуют, что это не так (по крайней мере для нашей области Вселенной). Способ измерения «суммы углов треугольника» на космологических масштабах расстояний состоит в следующем. Можно надежно вычислить характерный пространственный размер областей, где температура отличается от средней: на момент перехода плазма—газ этот размер определяется возрастом Вселенной, т. е. пропорционален 300 тыс. световых лет. Наблюдаемый угловой размер этих областей зависит от геометрии трехмерного пространства, что и дает возможность установить, что эта геометрия — евклидова.
В случае евклидовой геометрии трехмерного пространства общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной с суммарной плотностью всех форм энергии, так же как в ньютоновской теории тяготения скорость обращения Земли вокруг Солнца определяется массой Солнца. Измеренный темп расширения соответствует полной плотности энергии в современной Вселенной
В терминах плотности массы (поскольку энергия связана с массой соотношением Е = mс²) это число составляет
Если бы энергия во Вселенной целиком определялась энергией покоя обычного вещества, то в среднем во Вселенной было бы 5 протонов в кубическом метре. Мы увидим, однако, что обычного вещества во Вселенной гораздо меньше.
Во-вторых, из фотоснимка рис. 3 можно установить, какова была величина (амплитуда) неоднородностей температуры и плотности в ранней Вселенной — она составляла 10^–4–10^–5 от средних значений. Именно из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики.
Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Этот расчет согласуется с наблюдениями, только если предположить, что помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества — темная материя, вклад которой в полную плотность энергии сегодня составляет около 25%.

Рис. 4

Другой этап эволюции Вселенной соответствует еще более ранним временам, от 1 до 200 секунд (!) с момента Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигала миллиардов градусов. В это время во Вселенной происходили термоядерные реакции, аналогичные реакциям, протекающим в центре Солнца или в термоядерной бомбе. В результате этих реакций часть протонов связалась с нейтронами и образовала легкие ядра — ядра гелия, дейтерия и лития-7. Количество образовавшихся легких ядер можно рассчитать, при этом единственным неизвестным параметром является плотность числа протонов во Вселенной (последняя, разумеется, уменьшается за счет расширения Вселенной, но её значения в разные времена простым образом связаны между собой).
Сравнение этого расчета с наблюдаемым количеством легких элементов во Вселенной приведено на рис. 4: линии представляют собой результаты теоретического расчета в зависимости от единственного параметра — плотности обычного вещества (барионов), а прямоугольники — наблюдательные данные. Замечательно, что имеется согласие для всех трех легких ядер (гелия-4, дейтерия и лития-7); согласие есть и с данными по реликтовому излучению (показаны вертикальной полосой на рис. 4, обозначенной СМВ — Cosmic Microwave Background). Это согласие свидетельствует о том, что общая теория относительности и известные законы ядерной физики правильно описывают Вселенную в возрасте 1–200 секунд, когда вещество в ней имело температуру миллиард градусов и выше. Для нас важно, что все эти данные приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет
т. е. обычное вещество вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной.

---

4. Баланс энергий в современной Вселенной

Итак, доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет⁵ всего 5%. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино — около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии, как изображено на рис. 5.

Рис. 5

---

⁵ При этом вещества в звездах ещё в 10 раз меньше; обычное вещество находится в основном в облаках газа.

5. Темная материя

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

Рис. 6. Гравитационное линзирование

Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рис. 6.
Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 6 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 6 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями.

Рис. 7

Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. Это проиллюстрировано на рис. 7: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.
Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 10¹⁵ градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно.
Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.
Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлектронвольт. Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи — это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!
Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении

Рис. 8

Наконец, еще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками — нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал (НТ-200, рис. 8), другой (AMANDA) — глубоко во льду на Южном полюсе.

Рис. 9

Как показано на рис. 9, нейтрино, приходящее, например, из центра Солнца, может с малой вероятностью испытать взаимодействие в воде, в результате чего образуется заряженная частица (мюон), свет от которой и регистрируется. Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, вероятность такого события мала, и требуются детекторы очень большого объема. Сейчас на Южном полюсе началось сооружение детектора объемом 1 кубический километр.
Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10^–9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 10¹⁵ градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.

6. Темная энергия

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения⁶ свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.
Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.
Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума⁷. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.
Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.
По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.
К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

Темная материя

Автор благодарит преподавателя Новосибирского государственного университета, старшего научного сотрудника Института автоматики и электрометрии СО РАН, кандидата физико-математических наук Александра Черных за помощь в подготовке материала.
Ещё совсем недавно Лев Ландау утверждал, что космология "часто ошибается и никогда не сомневается". Но теперь ситуация изменилась, ведь за последние годы космология превратилась в точную науку и способна давать количественные ответы. Новые возможности в области астрономии позволяют нам делать вполне определенные выводы о некоторых этапах существования Вселенной.
На сегодняшний день главной головоломкой в космологических построениях считаются скрытые формы энергии, к которым традиционно причисляют темную материю и темную энергию. Несмотря на то, что о темной энергии и материи известно мало, сомневаться в том, что они есть, не приходится. В пользу этого говорит ряд косвенных признаков их существования. О них нам рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН.

Темная материя составляет около 23% массы Вселенной и практически не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, за что и называется "темной". Поясняет В.Рубаков: "Под "обыкновенной" материей мы понимаем ту, которая подчиняется закону Ньютона и испытывает такие же гравитационные воздействия, как и обычное вещество. Но выяснилось, что большая часть "обычного" вещества во Вселенной имеет неизвестную нам физическую природу. Его принято называть "темной материей". Происхождение этого термина объясняется просто: частицы темной материи не излучают свет, потому что не несут электрического заряда. Таким образом, это не фигура речи, а действительно характеристика её свойств. Вероятно, темная материя состоит из неизвестных современной науке элементарных частиц".
Темная материя проявляет себя гравитационными эффектами. Измерения скорости вращения удалённых звезд вокруг галактики свидетельствуют о том, что её масса не сосредоточена там, где есть обычное (светящееся) вещество, а распределена по большему пространству. И реальная масса галактики больше, чем масса видимого вещества. Таким образом, темная материя собирается в галактиках и влияет на вращение звезд в них. "Темная материя имеет такие же свойства, что и обычная: она собирается в сгустки, концентрируется и притягивает вещество и свет. В местах скоплений темной материи и образуются галактики и скопления галактик. Гравитационные эффекты, которые проявляет темная материя, и помогли её обнаружить," - объясняет Валерий Рубаков.
Итак, гравитационно она взаимодействует так же, как и обычное вещество, барионная материя, то есть подчиняется закону Ньютона. Всё остальное (предположения о том, что частицы темной материи должны быть намного тяжелее обычного протона, что время их возникновения, скорее всего, относится к периоду ранней Вселенной и т.д.) – лишь гипотезы и предположения. Свойства темной материи практически неизвестны, поэтому претендентов на то, чтобы быть её частицами – множество. Это нейтрино новых типов, аксионы, слабовзаимодействующие массивные частицы вимпы и другие элементарные частицы.
О количестве темной материи во Вселенной свидетельствуют также измерения анизотропии реликтового излучения. Такие исследования проводятся, в частности, с помощью спутника WMAP (согласно данным "Википедии", "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной"). WMAP составил радиокарту неба на нескольких длинах волн от 1,4 см до 3 мм. Измерение анизотропии реликтового излучения дает представление о свойствах ранней Вселенной и позволяет измерить её параметры. Кроме того, становятся доступны данные и о плотности темной материи. Как заметил преподаватель кафедры небесной механики, астрометрии и гравиметрии МГУ, доктор физико-математических наук М. Сажин, "если плотность всего вещества нашей Вселенной принять за единицу, то плотность невидимой холодной темной материи составит примерно 23%". Оказалось, что полученные точные данные о составе обычной материи не соответствуют темпам расширения Вселенной. По последним данным, "обычная" материя обеспечивает лишь около 1/4 расширения Вселенной. "Объяснением этого феномена могут, в принципе, служить два факта, - считает В. Рубаков. - Или недостающий вклад в параметр Хаббла объясняется искривлением трехмерного пространства, или во Вселенной существует неизвестная науке форма энергии, которая получила название "темной энергии"".

WMAP Вселенная расширяется. Расширение заключается в том, что космическое пространство равномерно "расползается", увеличивается. Началом расширения Вселенной считается Большой взрыв. Долгое время предполагалось, что расширение Вселенной происходит с замедлением. И почти никто в этом не сомневался. Но в конце 90-х годов прошлого века выяснилось, что это не так. Галактики, удаленные от нашей планеты, убегают тем быстрее, чем дальше расположены. Кроме того, чем дальше они от нас, тем более красными они выглядят, что объясняется эффектом Доплера. Темп расширения выражается параметром Хаббла, который к началу 90-х годов прошлого века был измерен достаточно точно. Например, галактика, расположенная на расстоянии 1 миллиард световых лет от нас, удаляется со скоростью 24000 километров в секунду. "Параметр Хаббла, - объясняет В. Рубаков, - определяется двумя характеристиками Вселенной: общей плотностью энергии всех форм материи и кривизной трехмерного пространства. Кроме того, роль играет и возраст Вселенной: с течением времени параметр Хаббла уменьшается, и сейчас Вселенная расширяется гораздо медленнее, чем миллиарды лет назад. Что касается пространства, то мнение о том, что оно непременно должно быть евклидово, несправедливо. Кривизна пространства в процессе расширения так же важна, как и плотность энергии".
Но в конце двадцатого века гипотеза о важности вклада кривизны пространства в параметр Хаббла была отвергнута благодаря астрономическим наблюдениям. Из исследований группы С. Перлмуттера и группы А. Райса и Б. Шмидта удаленных сверхновых звезд доподлинно стало известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Но кривизна пространства не может вызывать ускорение расширения. Поэтому почти все согласились с тем, что за оставшиеся 3/4 расширения отвечает именно темная энергия. Это повысило интерес к попыткам её обнаружения и вызвало появление множества гипотез о её природе. Однако известно лишь несколько свойств темной энергии.
"Первое, - рассказывает В. Рубаков, - это равномерное распределение в пространстве. Темная энергия, в отличие от обыкновенной, не имеет свойства концентрироваться и образовывать сгустки. Темная энергия разлита в пространстве равномерно, но не стоит это понимать буквально. В определенных участках пространства её плотность может быть выше, чем в других, а где-то, напротив, она больше разрежена. Но преимущественно, темная энергия все же однородна, поскольку эти отклонения очень малы и в масштабах Вселенной они несущественны. Второе свойство темной энергии заключается в том, что она заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Природа обычной энергии такова, что заставляет частицы вещества испытывать гравитацию. При разлете частицы обычного вещества со временем двигаются всё медленнее, поскольку, подчиняясь закону гравитации, притягиваются к центру. Темная энергия, напротив, заставляет галактики удаляться с ускорением. Вселенная расширяется с ускорением именно за счёт темной энергии. То, что для темной энергии характерно гравитационное отталкивание, а не притяжение, объясняет ускорение расширения Вселенной и равномерное распределение темной энергии в пространстве. Если и существуют участки с большей плотностью, то из-за отталкивания они разглаживаются. Третье свойство темной энергии тоже необычно: её плотность не зависит от времени, хотя за последние 8 миллиардов лет Вселенная увеличилась в два раза. На ранних этапах эволюции Вселенная была более плотной и горячей. Плотность обычной энергии была выше, а темной – такая же, как и сегодня. Поэтому тогда доля темной энергии составляла примерно 15%, в то время как сегодня эта цифра выросла до 73%. Значит, тогда доминировала обычная материя, и поэтому Вселенная замедляла расширение. Этот факт позволяет сделать важный вывод об эволюции Вселенной: поскольку доля темной энергии увеличивается, и когда-нибудь она будет доминировать абсолютно, настоящее для Вселенной – это всего лишь переходный период в её развитии. Будущее, таким образом, именно за темной энергией".

Расширение Вселенной На этом факты о темной энергии заканчиваются, и начинаются предположения. Некоторые гипотезы о природе темной энергии выглядят наиболее правдоподобными.
Одним из кандидатов на роль темной энергии является энергия вакуума. Теоретически, вакуум может обладать отличной от нуля энергией, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Его энергия, как и энергия других субстанций, испытывает гравитационное взаимодействие. Почему на роль темной энергии подходит энергия вакуума? "Свойства энергии вакуума близки тем свойствам темной энергии, которые нам известны. Во-первых, в видимом пространстве Вселенной вакуум одинаков, то есть распределен в пространстве равномерно. Его энергия, как и темная энергия, не обладает качеством концентрации, то есть не способна сгущаться и распределена везде одинаково. Вторым аргументом в пользу того, что темной энергией могла бы быть энергия вакуума, является то, что она неподвластна времени, то есть изменениям, которые происходили на протяжении эволюции Вселенной. Энергию вакуума изучает физика сверхмалых расстояний и времен, и расширение Вселенной никак на неё не влияет. Так же ведет себя и темная энергия. Стоит заметить, что то, что плотность энергии вакуума не зависит от времени и пространственного расположения – неоспоримый факт. И это важный плюс в пользу этого кандидата на звание "темной энергии"", - объясняет В. Рубаков.
Однако, многие оспаривают возможность того, что темная энергия – это энергия вакуума. И на это действительно есть свои причины. Например, аргументом "против" является очень малая плотность энергии вакуума, которая необходима для согласования теории с наблюдениями.
Темной энергией могут быть неизвестные поля. Неизвестные, так как те, которые мы знаем, не подходят по своим свойствам. К тому же, будь это известные нам поля, они давно обнаружили бы себя специфическими эффектами, их воздействие на вещество выдало бы себя. Какими качествами должно обладать новое поле, чтобы подходить на роль темной энергии? "Во-первых, его энергетический масштаб должен быть равен 0,001 электронвольт. И в том, что мы вводим новый, удивительно малый масштаб, нет ничего предосудительного. Дело в том, что в природе возможно существование самых разных энергетических масштабов. Во-вторых, новое поле должно быть легким, то есть его частицы должны иметь очень маленькую массу. Это объясняется тем, что плотность его энергии не должна меняться слишком быстро вследствие расширения Вселенной. Поскольку, напомню, темная энергия не реагирует на процессы, сопровождающие эволюцию Вселенной. И третье, что должно быть свойственно новому полю – оно должно очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Легкость поля, его малая масса обеспечивает, при этом, большой радиус действия. - говорит В. Рубаков
Эти три условия непривлекательны для науки в силу своей "притянутости", но они имеют право на существование. Тем более, эту гипотезу возможно проверить экспериментально: если при более точном измерении темпа расширения Вселенной (сейчас и в далеком прошлом) выяснится, что плотность темной энергии со временем все-таки меняется, это поможет с уверенностью отказаться от гипотезы об энергии вакуума. К тому же, если обнаружится, что темная энергия распределена в пространстве неравномерно, это будет доказательством того, что она действительно является энергией нового поля. Трудностью является то, что подтверждение или опровержение этой гипотезы невозможно получить в ходе земных экспериментов, так как это поле слишком слабо взаимодействует с веществом. На роль подобного легкого поля подходят "квинтэссенция" и "фантом". "Квинтэссенцией" физики называют такое поле, плотность энергии которого убывает со временем. "Фантомом" принято называть такой тип полей, плотность энергии которых, напротив, со временем растёт".
Ещё одно возможное объяснение состоит в том, что на самом деле нет никакой темной энергии. Термин "темная энергия", что бы он ни обозначал – некую субстанцию или же явление – употребляется для объяснения процесса ускоренного расширения Вселенной. Новая форма энергии необходима, если Вселенная развивается по законам общей теории относительности (ОТО). А если её устройство не подчиняется ОТО, то "темная энергия" вообще становится не нужна. Поскольку общая теория относительности точно "действует" на сравнительно небольших по космологическим меркам масштабах, нужно искать такую теорию гравитации, которая могла бы объяснить эволюцию Вселенной на поздних этапах её существования, и в то же время согласовывалась с ОТО на меньших масштабах длин и времен. Несмотря на сложность темы, работы по ней уже есть, и некоторые из них заслуживают внимания. "Одним из вариантов, - говорит В. Рубаков, - является отказ от ньютоновской постоянной всемирного тяготения как от постоянной величины, для этого нужно принять факт её изменения во времени и пространстве. Наиболее красивые попытки построить подобную теорию, увы, не имели успеха, потому что были опровергнуты экспериментально. При построении альтернативной теории, объясняющей устройство Вселенной, важно учитывать и то, что пространство может иметь не только три измерения, но и больше. Второе, на что стоит обратить внимание, это то, что закон расширения Вселенной может измениться. Новая гравитация, таким образом, действительно является претендентом на роль темной энергии. Но не стоит забывать, что все построенные сегодня модели требуют экспериментального подтверждения".
О будущем Вселенной говорить сложно. Раньше предполагалось, что за ускорение расширения Вселенной на оставшиеся 3/4 от обычной материи отвечает кривизна пространства, и расширение Вселенной в будущем замедлится. Теперь, когда известно, что это не так, есть несколько предположений о вариантах дальнейшего развития Вселенной. Если гипотеза о темной энергии как о новой теории гравитации верна, то сложно строить прогноз эволюции Вселенной. В противном случае, если темная энергия связана с энергией вакуума или легкими полями – можно сказать несколько слов о том, как будет развиваться Вселенная.
"Есть несколько предположений о будущем Вселенной, - комментирует В. Рубаков. - Если "вакуумная" гипотеза о природе темной энергии верна, Вселенная будет расширяться непрерывно, почти все галактики, соседние с нашей, удалятся от нас, и мы окажемся во Вселенной в одиночестве. В том случае, если темная энергия – квинтэссенция, расширение прекратится и, возможно, напротив, начнется сжатие – тогда может произойти "Большой взрыв наоборот" (сжатие Вселенной, увеличение плотности вещества в ней, разогрев. Так выглядел бы Большой взрыв, если бы мы "прокрутили фильм" о нем назад во времени). А если же темная энергия – это фантом, то произойдет "большой разрыв", то есть расширение будет продолжаться с ускорением, и Вселенная станет "расщепляться": распадутся скопления галактик, из отдельных галактик вырвутся звезды, от Солнечной системы отделятся планеты. Вселенная распадется, таким образом, на протоны и нейтроны. Но, скорее всего, плотность энергии фантома останется ограниченной, и это очень интересный путь развития Вселенной. Рост плотности энергии со временем приводит к непредсказуемому поведению фантомного поля: на определенных участках его плотность может быть очень высокой, на других – очень низкой, а какие-то, возможно, испытают коллапс. В таком случае судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область пространства она попадет".
Но в ближайшие 20 миллиардов лет, подчеркивает В. Рубаков, существенных изменений во Вселенной не произойдет. Так что, даже в космологических масштабах, ожидать перемен можно лишь в далеком будущем.