Чим викликана необхідність запровадження уявлення про темну енергію
Чим викликана необхідність запровадження уявлення про темну енергію
Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.
Новий сюрприз Всесвіту: темна енергія
Доктор фізико-математичних наук І. Ройзен
Кілька років тому астрофізики виявили факт, що інтригує. Результати спостережень за далекими надновими зірками показали, що Всесвіт розширюється помітно швидше, ніж їй "розпоряджається" загальноприйнята теорія: її як би "розпирає" якась сила, про природу якої майже нічого невідомо. Передбачається тільки, що вона є залишками якогось поля, що існувало в перші миті життя Всесвіту, яких, однак, вистачає, щоб вплинути на її подальшу долю. Статтю написано за матеріалами роботи Е. Ліндера, професора Національної лабораторії ім. Лоуренса та Космологічного центру при Флоридському університеті, опублікованій у журналі "CERN COURIER" у вересні 2003 року.
Схематичне зображення можливих розв'язків загальної теорії відносності з відмінною від нуля вакуумною енергією (космологічною константою), зіставлене з даними спостережень наднових зірок, реліктового випромінювання та скупчень галактик.
Вже отримані результати (з вертикальними відрізками, що відповідають експериментальним помилкам) і очікувані (червоні точки) від майбутніх спостережень надновими з більшими значеннями червоного зміщення (або величини z).
Нещодавно було сформульовано нову версію стандартної космологічної моделі Всесвіту, названу "космічною згодою" ("cosmic concordance").Вона описує широке коло явищ у рамках тепер уже надійно обґрунтованої моделі гарячого Всесвіту, що веде початок з так званого Великого вибуху (див. "Наука і життя" № 11, 12, 1996). Відповідно до цієї версії, вся матерія складається з трьох основних компонентів: баріонної (в основному це нуклони та гіперони), яку описує загальноприйнята модель елементарних частинок; небаріонної темної матерії, імовірно представленої або невідомими ще майже невзаємодіючими масивними частинками, або гіпотетичними аксіонами - дуже легкими і дуже слабко пов'язаними з баріонами частинками з нульовим спином, існування яких також не суперечить основам сучасної квантової теорії; і, нарешті, - у цьому таки полягає досить несподіваний сюрприз - темної енергії, щодо фізичної природи якої ми практично ще нічого не знаємо. При цьому на частку баріонів припадає лише близько 4% всієї маси (тут маса М розуміється в релятивістському сенсі як M = E/c 2 , де E - Повна енергія, а c - швидкість світла, причому зазвичай користуються системою одиниць, у якій c = 1). Частина баріонів - теж "темна", а точніше холодна, у тому сенсі, що не виявляє себе безпосередньо світлом розпечених зірок. Темна матерія становить приблизно 20-25% усієї маси. Левова ж частка - 70-75% всієї маси - припадає на темну енергію, яка поки що виявляє себе лише тим, що впливає на швидкість глобального розширення Всесвіту. Ця фонова енергія розподілена поступово, у разі, у просторових масштабах, перевищують розміри всіх відомих неоднорідностей (скажімо, скупчень галактик).
Уявлення про темну енергію виникло в 1998 році і пов'язане зі спостереженнями за надновими зірками, які час від часу яскраво спалахують на небосхилі і потім досить швидко тьмяніють. Завдяки своїм унікальним властивостям ці зірки використовують як маркери для визначення того, як космологічні відстані змінюються з часом. Так от, у 1998 році дві групи астрофізиків - одна в США, а інша в Австралії - майже одночасно виявили, що найдальші наднові світять не так яскраво, як це очікувалося, виходячи з того, що Всесвіт заповнений матерією, яка гравітує за законом Ньютона, тобто обернено пропорційно квадрату відстані. Це означало, що вони розташовані від нас далі, ніж мали б перебувати, якби Всесвіт розширювався в полі звичайних гравітаційних сил. Таким чином, з достовірністю 99% можна стверджувати, що у Всесвіті має бути ще якась додаткова енергія, здатна на космологічних відстанях протистояти гравітаційному тяжінню матерії. Вона є те, що почали розуміти під словами "темна енергія".
З того часу отримано безліч нових свідчень на користь даного твердження - як у ході подальших і більш надійних спостережень надновими, так і в результаті низки інших досліджень. Такими були, передусім, детальні виміри енергетичного спектра реліктового випромінювання у наземних лабораторіях і з супутників (див. " Наука життя " № 1, 1993 р.). Ці ж експерименти показали, що Всесвіт плоский (принаймні майже), тобто його видима просторова геометрія евклідова, що узгоджується з передбаченням інфляційної моделі (див. "Наука і життя" № 8, 2002 р.).У той же час спостереження за скупченнями галактик говорять про те, що звичайна матерія (баріонна та темна) може забезпечити лише 20-30% необхідної для цього середньої щільності енергії. Таким чином, все сходиться до того, що близько трьох чвертей цієї густини слід віднести на рахунок темної енергії, яка прискорює розширення Всесвіту.
ПРО ПРИРОД ТЕМНОЇ ЕНЕРГІЇ
Звідки ж таки береться ця темна енергія? Зрозумілої відповіді це питання поки немає, але зазвичай його намагаються знайти, комбінуючи рівняння загальної теорії відносності (ОТО) з рівняннями стану речовини, про які спочатку поговоримо коротко.
Під рівняннями стану речовини розуміється взаємозалежність між щільністю повної енергії e та тиском p. Найпростішим прикладом є рівняння Клапейрону для ідеального газу p = 2/3 keдо = = 2/3 k (e - r), де k - постійна Больцмана, eдо - щільність кінетичної енергії та r - щільність маси спокою.
У нерелятивістському середовищі (де величина маси набагато перевищує кінетичну енергію частинок) тиск мізерно мало порівняно із щільністю повної енергії, так що в даному контексті його можна з дуже хорошою точністю вважати просто рівним нулю. У релятивістському середовищі (коли, навпаки, кінетична енергія набагато більша за масу спокою) щільність енергії лише втричі більша за тиск, e = 3p. А у вакуумі сума e+ p = 0, тобто вони відрізняються лише знаком (інакше кажучи, e/p = -1). Останнє прямо випливає з того, що за своїм змістом вакуум має бути релятивістськи інваріантним, тобто виглядати однаково у всіх системах координат, а згадане тільки що рівняння стану - єдине, яке задовольняє цій вимогі.На перший погляд здається, що у вакуумі взагалі "нічого немає", і, отже, просто e = p = = 0. Але такі " природні " аргументи проходять лише рамках класичної теорії. Вже давно і добре відомо, що щільність енергії квантового вакууму може відрізнятися від нуля і до того ж дуже значно (прикладом цього є непереборні нульові коливання).
Тепер звернемося до рівнянь ОТО. Вони тиск сам " гравітує " , тобто у певному сенсі стає еквівалентним масі (енергії), і знак повного гравітаційного взаємодії визначається знаком суми e + 3p. Якщо він позитивний - а це, очевидно, так для будь-якого середовища, крім вакууму, - має місце добре знайоме нам тяжіння. А ось у вакуумі може бути будь-що: там eвак + pвак = 0, так що eвак + 3pвак = 2pвак, і все залежить від тиску знака. Якщо pвак і 0 (і, отже, eвак Ј 0), то якісно мало що змінюється: вакуум або не вплине ніяк, або додасть в "загальний котел" деяке додаткове рівномірно розмазане по Всесвіту тяжіння. Але якщо pвак < 0 (і, отже, eвак > 0), то вакуум привнесе до цього "загальний котел" антигравітаційну складову - відштовхування, що дуже нешкідливо. Справа в тому, що, будучи рівномірно розмазаною по всьому простору, вона зі зростанням відстані стане все сильніше пригнічувати тяжіння "локалізованої" матерії і рано чи пізно обов'язково візьме гору в сумарному вкладі по всьому обсягу, забезпечивши, таким чином, виштовхування (а не тяжіння! ) матерії за його межі!
По суті, саме це міркування покладено в основу інфляційної моделі, яка стверджує, що в дуже ранньому Всесвіті абсолютно домінувала величезна (позитивна!) Енергія вакууму, який з цієї причини стрімко роздувався, а речовина з'явилася лише пізніше.
Формально такий режим можна математично змоделювати, ввівши в рівняння ОТО позитивну космологічну константу. Вакуум ОТО з ненульовою космологічною константою давно і детально вивчений і відомий під назвою "Світ де-Сіттера". Його властивості дуже цікаві і багато в чому парадоксальні, але їх обговорення повело б нас убік. Цікаво, однак, те, що рівняння ОТО з позитивною космологічною константою, що включають не тільки гравітацію, а й антигравітацію, могли б на перший погляд пролити світло якщо не на фізичний зміст, то хоча б на певну математичну інтерпретацію темної енергії. Але тут ми опиняємося перед майже нерозв'язною проблемою.
Справа в тому, що величина космологічної константи, необхідна для пояснення розмірів Всесвіту, що спостерігаються, за допомогою інфляційної моделі, настільки велика, що зараз темна енергія повинна була б перевищувати енергію, пов'язану зі звичайною матерією, приблизно на 120 порядків (тобто бути в 10 120 разів більше!). А тим часом вона, як уже згадувалося, хоч і більша, але все-таки має той самий порядок величини.
Звичайно, в результаті фазового переходу з перебудовою вакууму, який майже безсумнівно трапився в ранньому Всесвіті, космологічна константа могла змінитися (і напевно змінилася), але все ж таки поки що зовсім незрозуміло, як і чому відбулася настільки "тонка настройка", що вона зменшилася саме на 120 порядків, а не, скажімо, у 10 чи 100 разів.Щоправда, можлива й так звана антропологічна позиція: якби сталося інакше, то зараз було б нема кому задаватися подібними питаннями. Однак якщо не ставати на позицію фаталістів і не вважати, що все, що існує, зобов'язане волі випадку, - одним словом, якщо не закопувати по-страусиному голову в пісок, - то варто все-таки пошукати більш змістовну відповідь.
І його активно шукають. Погоня за все новими експериментальними свідченнями присутності темної енергії та спроби теоретично осмислити їх результати перетворилися сьогодні на цілу космологічну індустрію, що включає найрізноманітніші дослідження з усього тимчасового спектру від раннього до сучасного Всесвіту.
Є безліч вказівок на те, що рівняння стану темної енергії змінювалося з часом, так що для відтворення досить повної картини необхідно нагромадити інформацію, що стосується всіх епох еволюції Всесвіту. Інакше кажучи, потрібно "просканувати" рівняння її стану за відповідними величинами червоного усунення, що виникає внаслідок ефекту Доплера. Вони визначаються парою метром z є (l0 - lе)/lе, де l0 - Довжина хвилі випромінювання, що приймається, lе - Довжина хвилі випромінювання, що випускається, їх отримують безпосередньо зі спостережень. Або, що те саме, рівняння потрібно досліджувати за всіма значеннями величини (1 + z) - відносної відмінності характерних просторових масштабів Всесвіту від її "туманної юності", коли було 1/(1 + z) z >> 1, до наших днів, коли 1/(1 + z) = 1 (тобто z = 0).Таким чином, космологи отримають інформацію про уповільнення розширення Всесвіту внаслідок тяжіння матерії та про його прискорення темною вакуумною енергією в різні історичні періоди, подібно до того, як відомості про зміну клімату на Землі черпають із спостережень за шириною кілець на спилах дерев.
Тут вирішальна роль відводиться надновим зіркам, видима яскравість яких дозволяє досить точно судити про їхню віддаленість від нас і, значить, про момент їхнього вибуху, а червоне зміщення в спектрах - це не що інше, як співвідношення розмірів Всесвіту зараз і в той час. Взяті разом, вони дадуть повне уявлення про характер еволюції Всесвіту.
Другий напрямок перспективних досліджень включає накопичення даних про зростання швидкості формування великомасштабних структур у Всесвіті типу скупчень галактик. І, нарешті, третій напрямок - це виявлення надзвичайно малих просторових флуктуацій темної енергії за надточним (прецизійним) виміром так само мізерної анізотропії спектра реліктового випромінювання.
Можливості останніх двох напрямів серйозно обмежені природними невизначеностями, неминуче властивими астрофізиці та космічній статистиці (зокрема, тим, що в нашому розпорядженні є, на жаль! – лише один Всесвіт; добре відомо, що ця "неприємна недоробка природи" сильно сковує руки і в дослідженні низки суміжних питань). Як уже згадувалося вище, вони можуть виявитися дуже корисними для перехресного зіставлення результатів.
У реалізації всієї цієї грандіозної програми і полягає найголовніше завдання космології на найближчі роки.Подальші дослідження повинні також обмежити свавілля у виборі параметрів різних теоретичних моделей і передбачити більш виразно долю нашого Всесвіту, включаючи, можливо, і оцінку часу, який залишився до "Страшного космічного суду" (про всяк випадок - воно не може бути меншим за багато мільярдів років ).
СЛОВНИК ДО СТАТТІ
Баріони - елементарні частинки, які мають (на відміну всіх інших) так званим баріонним зарядом. Як показує досвід, баріонний заряд ізольованої системи зберігається точно або з дуже високим ступенем точності, хоча причина невідома. Найбільш відомі приклади баріонів - протони та нейтрони з баріонним зарядом +1, а також відповідні античастинки - антибаріони, баріонний заряд яких дорівнює -1.
Гіперони - "дивні" баріони, інакше кажучи - баріони, що містять хоча б один дивний кварк.
Інфляційна модель - Сценарій, в якому передбачається, що в перші миті свого існування Всесвіт являв собою "хибний вакуум" - метастабільний стан без реальних частинок, який не перетворився відразу ж на реальний фізичний вакуум тільки тому, що для цього необхідно було подолати деякий потенційний бар'єр. Цей вакуум розширювався з величезною швидкістю і, тунелюючи через згаданий бар'єр (нагадаємо, що, на відміну від класичної, квантова механіка цього не забороняє - приклад тому спонтанний поділ ядер та багато переходів у твердих тілах), "звалювався" у реальний фізичний вакуум, енергія якого значно нижче. В результаті виділилася величезна енергія, стався сильний розігрів, і у Всесвіті з'явилися реальні частки (відповідно до звичайних законів термодинаміки).З цього часу почалося і відбувається зараз її розширення (незрівнянно повільніше) і поступове охолодження (звісно, "в середньому"), як це якісно і передбачає загальноприйнята модель гарячого Всесвіту.
Нульові коливання - чисто квантовий ефект, що означає, що енергію частки чи поля не можна знизити до нуля. У разі полів їхня енергія формально взагалі нескінченна. Оскільки зазвичай завжди грають роль лише різниці енергій, ця енергія у всіх розрахунках скорочується. Однак у ВТО енергія набуває абсолютного сенсу.
Світ де-сітера - так прийнято називати рішення рівнянь ОТО з космологічною постійною, що описують вакуумний стан. Властивості останнього залежать від цієї позначки і сильно відрізняють його від "порожнього вакууму".
Космологічна постійна - Величина, відома також під назвою L-члена. Присутність такого складового в рівняннях ВТО нічим не заборонено, і спочатку Ейнштейн вважав його навіть за необхідне, оскільки без нього стаціонарна Всесвіт з одним лише тяжінням явно нестійкий. Коли ж було знайдено нестаціонарне рішення ОТО (Фрідманівський Всесвіт, що розширюється) і тим більше коли з'ясувалося, що саме воно відповідає реальності, необхідність в L-члені для внутрішньо несуперечливого опису сучасного Всесвіту, здавалося б, відпала. І ось тепер питання знову опинилося на порядку денному.
Червоне усунення - ефект Доплера, який у тому, що частота видимого світла (і взагалі прийнятих електромагнітних хвиль) залежить від відносної швидкості випромінювача і приймача: що швидше вони віддаляються друг від друга, тим менше.У гарячому Всесвіті відносні швидкості всіх тіл (на космологічних відстанях) тим більше, що далі вони одне від одного. У результаті виявляється, що частота, що приймається нами, зменшується (порівняно з частотою нерухомого джерела) у стільки ж разів, у скільки разів масштаби Всесвіту в момент випромінювання були меншими, ніж зараз. Цей фактор прийнято записувати у вигляді (1+ z), тому що тоді z - це червоне зміщення, відносне подовження електромагнітної хвилі.
Маса спокою (Вона ж і енергія спокою в системі одиниць, де швидкість світла c = 1) – це маса (енергія) нерухомого тіла; повна (релятивістська) маса (енергія) дорівнює масі спокою + кінетична енергія тіла.