Новый Мир ( № 11 2008) - Новый Мир Новый Мир

А в 1998 году диаграмма Хаббла для SN Ia показала, что многие из них находятся от нас чуть дальше, чем в моделях с торможением. Ускорение расширения Вселенной могло бы объяснить увеличение расстояния.

7. Темная материя и темная энергия

Откуда же могло появиться ускорение?

АДЧ: “Ускорение указывает на силу, которая определяет движение тел. Этой силой не может быть притяжение космических тел друг к другу: взаимное тяготение галактик способно лишь тормозить их разбегание. А ускорять это движение может сила противоположного знака — она и называется всемирным антитяготением. Физический источник антитяготения — темная энергия, которая проявляет себя в мире только благодаря своему свойству создавать антитяготение. В остальном она невидима и неуловима: не излучает и не поглощает света, не рассеивает его. По макроскопическим свойствам темная энергия подобна особого рода сплошной среде с положительной плотностью и отрицательным давлением”.

Попробую пояснить, что такое антитяготение. Важно отметить, что оно возникает в стандартной теории тяготения — ОТО — безо всякой мистики. Всем окончившим среднюю школу известна аналогия закона тяготения Ньютона и закона Кулона. И там и там действует закон обратных квадратов. Но если две одинаковые массы по Ньютону притягиваются, то два одинаковых заряда по Кулону отталкиваются. Если же одинаковые заряды быстро движутся параллельно друг другу, если есть два параллельных тока, то провода, по которым бежит ток, притягиваются — это известная с начала XIX века сила Ампера (или сила Лоренца для отдельных зарядов в магнитном поле тока). Помимо “кулоновских” сил ОТО предсказывает и “амперовские”, они же “лоренцевские”, для движущихся масс. Эти гравитационные (или гравимагнитные ) силы проверены на эксперименте. Неудивительно, что параллельно движущиеся массы отталкиваются из-за гравитационной силы Ампера (ведь сила взаимодействия между массами противоположна по знаку силам взаимодействия между зарядами). Вот вам уже и антитяготение!

Гравитация устроена сложнее, чем электромагнетизм. Источником гравитации являются не только массы частиц, а любые виды энергии, любые потоки импульса — то есть любое давление среды. Когда давление очень высокое и положительное, как внутри плотных звезд, оно усиливает тяготение, что и приводит к неизбежному коллапсу — самоусилению гравитации из-за положительного огромного давления. А если давление отрицательное, как внутри растянутой резины, то оно ослабляет тяготение и может даже сменить знак гравитационной силы — это и называют антитяготением.

В простейшем виде учет постоянной плотности энергии вакуума эквивалентен добавлению космологической постоянной лямбда в уравнении Эйнштейна. Поскольку плотность энергии вещества и излучения уменьшается при расширении Вселенной, если есть вакуумная энергия, отличная от нуля, то последняя может начать доминировать в динамике расширения.

АДЧ: “В 1998 — 1999 гг. выяснилось, что динамикой наблюдаемой Вселенной управляет не тяготение, а совсем иная сила — космическое отталкивание, или антитяготение. Антитяготение действует на разбегающиеся галактики и стремится еще более отдалить их друг от друга; из-за этого расширение Вселенной происходит с ускорением”. Он же справедливо отмечает (если истолкование наблюдений с помощью темной энергии правильно): “Для того чтобы представить себе силу антитяготения, которую способна создать антигравитирующая среда с такой плотностью, вообразим, что два нейтральных атома водорода помещены в пространство, в котором нет ничего кроме темной энергии. На эти атомы действуют две силы: ньютоновская сила их взаимного притяжения и эйнштейновская сила отталкивания. Оказывается, что антитяготение сильнее тяготения, если расстояние между атомами больше полуметра”.

Проблема состоит в трудности получения такого вакуума: в окружающем нас космосе в каждом кубическом метре миллионы атомов, и их масса вызывает обычное притяжение, маскирующее эффект темной энергии.

8. Альтернативы темной энергии

Я попытался показать, как сверхновые “работают” на фундаментальную физику. Они как будто доказали, что свойства вакуума нетривиальны и что Вселенная должна быть на три четверти заполнена темной энергией. Насколько надежен вывод о наличии во Вселенной темной энергии?

Необходимо заметить, что во всех работах по сверхновым с большим z использовались соотношения типа Псковского — Филлипса (максимальная светимость — темп падения блеска), полученные из анализа близких объектов. Но даже для близких SN Ia отклонения отдельных объектов от зависимости Псковского — Филлипса не могут быть объяснены только ошибками наблюдений.

Рассматривая возможность использования SN Ia в космологии, мы давно пришли к выводу, что статистика далеких сверхновых пока не позволяет делать твердых выводов о параметрах ускорения Вселенной1. В частности, земные эксперименты показывают, что режим горения при взрыве не всегда удается точно предсказать заранее. Для сверхновых ситуация аналогичная: вполне возможно, что различие в начальных условиях лишь меняет вероятность того, что горение будет развиваться по тому или иному пути, но не определяет его точно. А поскольку режим горения сильно влияет на форму кривой блеска, то и скорость спада нельзя достоверно предсказать, зная только начальные условия. Вероятность той или иной скорости спада блеска, которая играет столь большую роль в определении космологических параметров, можно будет выяснить, лишь набрав достаточно большую наблюдательную статистику SN Ia при разных красных смещениях.

С ростом статистики сверхновых можно будет выявлять и более тонкие эффекты: постоянна ли плотность темной энергии, и если нет, то как она меняется со временем. Эти попытки пока преждевременны, поскольку они совсем не учитывают возможности эволюции с возрастом Вселенной свойств самих сверхновых, их режимов горения и кривых блеска.

У астрофизиков есть и другой сильный аргумент в пользу реальности темной энергии. Они знают из угловых размеров горячих и холодных пятен микроволнового реликтового излучения, что мир должен быть плоским, близким к параболической модели.

Как они это узнали? Физический размер пятен они знают из возраста Вселенной на момент рождения реликтовых фотонов (около 400 тысяч лет) и скорости распространения звука в горячей плазме, которая близка к скорости света. То есть природа дает нам некоторую стандартную линейку в несколько сотен тысяч световых лет, по которой мы можем замерить расстояние. Сейчас та область, откуда вышел реликтовый свет, находится на расстоянии в десяток миллиардов световых лет. Казалось бы, мы должны видеть линейку (пятно) под очень малым углом — в несколько секунд (если сотни тысяч световых лет поделить на 10 миллиардов — примерный возраст Вселенной). А на самом деле мы видим пятна с характерным размером в один градус — в тысячу раз больше — просто потому, что свет был испущен, когда Вселенная (ее масштабный фактор) была в тысячу раз меньше. Наблюдаемый размер пятен реликтового излучения получается только в том случае, если пространство не искривлено ни по Риману, ни по Лобачевскому. В то же время холодного вещества (видимой и темной материи) имеется всего примерно четверть от плотности, нужной для того, чтобы мир стал параболическим. Нехватку как раз может дать темная энергия, и, казалось бы, все сходится.

Тем не менее у скептиков есть очень серьезные аргументы против существования темной энергии. Во-первых, наша Вселенная явно неоднородна, и модель Фридмана является сильной идеализацией. Уравнения ОТО нелинейны, и их усреднение — задача совсем не тривиальная. Первыми строго выписать усредненные уравнения для неоднородной Вселенной попытались М. Ф. Широков и И. З. Фишер в 1963 году. Их статья в нашем “Астрономическом журнале” вошла в золотой фонд “General Relativity and Gravitation” наряду со статьями Эйнштейна, Фридмана и других классиков. Но выписать эти уравнения еще не значит суметь их решить. Сейчас над этой проблемой бьются многие космологи, среди которых можно назвать Т. Бухерта и Э. Кольба. Масштабный фактор в реальной Вселенной может повести себя не так, как в моделях Фридмана.

С другой стороны, и свет в неоднородной Вселенной распространяется не так, как в однородной. А мы только свет и используем для измерения фотометрических расстояний до сверхновых и при измерении угловых размеров пятен реликтового фона. Для неоднородной Вселенной пока применяются сильно идеализированные модели с большой полостью в миллиард световых лет в поперечнике, в которой мы живем (модель Леметра), или модель “швейцарского сыра”, когда таких полостей много и они случайно разбросаны по размерам и по положению во Вселенной. Некоторые физики (тот же Э. Кольб) утверждают, что в таких моделях можно объяснить все наблюдения безо всякой темной энергии.