Кто-то хорошо сказал, что современные физики способны работать там, где уже не работает их воображение.

Например, рассчитывать пространственное распределение невидимого вещества или силу воздействия неощутимого энергетического поля.

Обе названные задачи не придуманы — они интенсивно обсуждаются сегодня теоретиками. Невидимое вещество, вошедшее в физику лет 30 назад, получило название «темного», а затем уж и неощутимая энергия, обнаруженная не так давно, тоже стала называться «темной» — просто по аналогии. Так в астрофизике появились сразу две темные сущности.

Судя по всему, открытие «темного вещества» и «темной энергии» в космосе — один из тех фундаментальных переворотов в нашей картине мира, громовые отзвуки которых могут еще столетиями, наверно, перекатываться от горизонта к горизонту. С чем сравнить потрясение астрономов, внезапно обнаруживших, что те звезды и галактики, которые они изучали в течение тысячелетий, полагая их самым важным в космосе, — это пылинки в сравнении с материковой глыбой «темного вещества» и еще более гигантским, необозримым массивом «темной энергии», не только доселе неведомыми, но к тому же еще и в самой высшей мере загадочными и ни на что не похожими. Неслучайно один из современных астрономов грустно заметил: «Всю свою историю астрономия изучала то, что видно на небе, но отныне ей предстоит изучать то, чего там не видно».

Пока что эта темнота не очень-то проясняется, и ученые, понятное дело, пытаются осветить ее прожекторами своих гипотез. 0 целой грозди таких гипотез и не только о них пойдет ниже речь.

Рафаил Нудельман

 

Игры с тяготением

Глядя на звезды, мы редко отдаем себе отчет, что глядим на Вселенную. Между тем это именно так. Мы видим звезды нашей галактики. Млечный Путь, видим туманные пятнышки, которые в телескоп распадаются на множество звезд, образующих другие галактики, видим какое-то серебристое свечение, создаваемое облаками межзвездного газа и пыли (оно заслоняет от нас центр нашей галактики, а то мы видели бы куда более яркую и богатою звездами картину). В сущности, это и есть видимая Вселенная. Но есть еще и невидимая.

Астрономические наблюдения последних десятилетий показали, что галактики и их скопления движутся так, будто их держат «на привязи» гравитационные силы каких-то невидимых, «темных» масс. Они не видны глазу и телескопу, потому что не испускают свет. Обычное вещество, из которого состоят звезды галактик и межзвездные облака, в свою очередь, состоит из атомов (главным образом, водорода и гелия). Когда летящие в космосе частицы вещества или света (фотоны) сталкиваются с атомами, они их возбуждают, и спустя какое-то время, возвращаясь в нормальное состояние, эти атомы испускают свет Поэтому обычное вещество светится. Но то вещество, которое называется темным, не светится, и это значит, что оно состоит не из обычных атомов. А из чего же?

Ответа на этот вопрос пока нет. Есть только разумные догадки, основанные на новейших физических теориях. Эти теории предсказывают возможность существования особых «темных» частиц, из которых, возможно, и состоит темное вещество. А в самое последнее время появились факты, которые могут подтвердить — или опровергнуть — эти предсказания. Понятно, что астрофизики взволнованы. Ведь согласно их теориям эти частицы образовались на самых ранних этапах существования Вселенной. Не исключено, что с тех пор они скопились вблизи мест с большой гравитацией, чем могут быть центры галактик или их звезды. Обнаружение таких скоплений могло бы объяснить многие загадки — например, что происходит в невидимом нам центре Млечного Пути или почему наше Солнце окружено очень ярко светящейся «короной», происхождение которой до сих пор остается необъяснимым.

Подсказки о возможной природе «темных» частиц физики получили из двух теорий. Одна из них называется теорией суперсимметрии. Она продолжает ту теорию, которая привела к общепринятой сегодня «стандартной модели» элементарных частиц. Согласно этой модели, все существующие микрочастицы, в соответствии со своими свойствами, могут быть распределены по клеточкам некой таблицы, по классам, причем внутри каждого класса частицы обладают определенными общими свойствами — являются, например, «фермионами» (с полуцелочисленным вращательным моментом) или «бозонами» (с целочисленным вращательным моментом). Позднее выяснилось, что уравнения стандартной модели не вполне точно описывают поведение частиц, когда они обладают очень высокой энергией. Тогда возникла новая теория, основанная на принципе так называемой «суперсимметрии».

Грубо говоря, эта теория утверждает, что «правильные» уравнения реакций между частицами должны обладать одним общим свойством — они должны быть полностью симметричны относительно замены частиц из класса «бозонов» (к которым относится в частности, световая частица — фотон) на частицы из класса «фермионов» (к которым относится, в частности, электрон). А далее эта теория говорит: для того, чтобы нынешние уравнения (справедливые при небольших энергиях и неточные при больших) превратить в «правильные» (справедливые при всех энергиях), нужно добавить к таблице стандартной модели доселе неизвестные науке частицы — «супсрпартнеры» уже известных частиц (например, «фотино» вдобавок к фотону, «сэлектрон» вдобавок к электрону, «скварк» вдобавок к кварку). Разумеется, свойства этих новых частиц не могут быть любыми — они должны быть такими, чтобы уравнения, описывающие их реакции, превратились в «суперсимметричные». Такое требование позволяет вычислить, какими же должны быть эти свойства — масса, электрический заряд, момент вращения, взаимодействие с различными силами и полями и тому подобное — у разных «суперпартнеров».

В современной физике новые частицы иногда открываются не в экспериментах, не в ускорителях, а «на кончике пера». В данном случае, одна из новых частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, имеет прямое отношение к нашему рассказу о темном веществе. Частица эта — нейтралино. Она не имеет электрического заряда (отсюда ее название — НЕЙТРА-лино). Эта частица существует в нескольких видах, отличающихся массой. Обычно, когда говорят «нейтралино», имеют в виду самое легкое из разных «нейтралин», но даже оно тяжелее атома водорода — и притом тяжелее в 1000 и более раз.

Нейтралино — очень массивная частица, но в силу отсутствия у нее заряда она, в отличие от атомов обычного вещества, не взаимодействует со светом (то есть с электромагнитным полем). Вообще, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами и всеми другими суперпартнерами. В этом отношении она очень похожа на нейтрино, только по массе является полной противоположностью: масса нейтрино практически равна нулю. Поэтому нейтрино проходят огромные слои вещества, почти не взаимодействуя с его атомами, а массивное нейтралино хоть немного, но оставляет за собой след такого взаимодействия — ядра атомов, задетые этой частицей, будут слегка отклоняться со своего пути. (Взаимодействуй нейтралино с обычным веществом чуть сильнее, и оно проходило бы сквозь него, как танк, оставляя за собой сплошные обломки и развалины.) Ученые рассчитывают обнаружить нейтралино с помощью такого рассеивания атомных ядер при прохождении этой невидимой частицы. Но пока что им это не удалось.

Большая масса нейтралино означает, что при их создании (на первых этапах жизни Вселенной) основная часть затраченной на это энергии пошла на их массу, а не на скорость; поэтому все нейтралино движутся медленно, они как бы имеют низкую температуру (чем меньше температура, тем медленнее движение, и наоборот). Иными словами, нейтралино — это «холодные» частицы. Напротив, малая масса нейтрино означает, что эти частицы движутся быстро — и действительно, согласно измерениям, скорость нейтрино близка к скорости света; стало быть нейтрино — это «горячие» частицы. Сходство их — только в том, что и тс, и другие практически не взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому столкновения с электронами или фотонами не MOiyr возбудить эти частицы, а следовательно — не могут заставить их светиться. Если бы вся Вселенная состояла только из нейтралино, это была бы темная и «холодная» (состоящая из медленных частиц) Вселенная; если бы она вся состояла из нейтрино, это была бы темная и «горячая» Вселенная. Таким образом, любое большое (в галактических масштабах) скопление нейтралино должно представлять собой невидимую, но массивную область, способную оказывать воздействие на движение галактики как целого.

Но это — как раз те признаки, которыми мы выше охарактеризовали «темное вещество». Поэтому можно с полным основанием сказать, что фактически теория суперсимметрии предсказывает существование темного вещества и объясняет, из чего оно состоит. Остается лишь проверить это объяснение, то есть найти нейтралино в эксперименте. Однако энергии существующих ускорителей недостает, чтобы создать массивное нейтралино, и астрофизики возлагают надежды на непрямые доказательства. Как мы уже говорили, недавно такие указания как будто появились. Приборы, улавливающие потоки гамма-лучей, установленные на спутнике Европейского космического агентства, обнаружили такие потоки, которые можно объяснить только процессами столкновения и взаимного уничтожения очень тяжелых суперчастиц и анти-суперчастиц в центре нашей галактики. Возможно, это и есть искомые нейтралино, причем даже не самые легкие из них.

Другим кандидатом на роль главной составляющей темного вещества является так называемый «аксион». Существование этой экзотической частицы, тоже отсутствующей в «стандартной модели», предсказывается другой новой теорией, а именно — теорией «сильного», или кваркового, взаимодействия (той самой, за которую недавно была присуждена очередная Нобелевская премия по физике). А именно, кварки, из которых состоят частицы атомного ядра — протоны и нейтроны, — располагаются в этих частицах так, что электрически нейтральный нейтрон должен на самом деле представлять собой слабый электрический диполь. Так называют систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: система в целом электрически нейтральна, но поскольку заряды сдвинуты один относительно другого, их электромагнитные поля не компенсируются полностью и система в целом имеет небольшое «дипольное» поле. Благодаря этому она способна излучать электромагнитные волны, если ее заряды то сближаются, то отдаляются. Эксперименты, однако, показали, что дипольное поле нейтрона много меньше, чем предсказывается теорией сильного взаимодействия. Чтобы сохранить теорию (а она очень хорошо объясняет многие другие явления), оказалось необходимым постулировать существование особой частицы, которую назвали аксионом.

Сохранение теории сильного взаимодействия требует определенных свойств аксиома. В свободном пространстве он должен иметь очень малую массу (примерно в 1000 раз меньше массы электрона). Хотя и нейтральный, он в то же время должен быть способным взаимодействовать с сильными магнитными полями, быстро распадаясь на два высокоэнергичных фотона, соответствующих ренгтеновскому диапазону электромагнитного спектра. Проще говоря, в сильном магнитном поле аксион должен распадаться, выбрасывая два ренгтеновских луча. В области с очень большой гравитацией — например, близко к поверхности звезд — могут существовать более массивные, но зато очень коротко живущие аксионы. Их распад в магнитном поле звезды должен сопровождаться нагревом внешней части звезды, ее «атмосферы», до очень высоких температур. Не этим ли объясняется загадка высоконагретой (свыше 1 миллиона градусов) «короны», окружающей наше Солнце?

Поскольку в отсутствие магнитных полей аксионы не взаимодействуют с обычным веществом, их скопления, возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, тоже могут претендовать на роль «темного вещества». Но вблизи галактического центра, где наверняка существуют сильнейшие магнитные поля, должен идти непрерывный распад тяжелых аксионов с таким же непрерывным выбрасыванием ренгтеновского излучения. И действительно — в последнее время такое рассеянное ренгтеновское излучение, идущее из галактического центра, уже обнаружено. Но вызвано ли оно аксионами, пока сказать нельзя.

В прямом эксперименте аксионы также не обнаружены, как и нейтралино. Физики надеются обнаружить их после введения в строй самого мощного в мире ускорителя, который сейчас строится в Женеве. А тем временем уже появляются попытки совсем иных объяснений темного вещества — например, как скоплений «черных дыр» минимальных размеров или «горячих» нейтрино. Недавние измерения реликтового космического излучения (оставшегося со времен зарождения Вселенной), показали, что это поразительное невидимое вещество составляет четверть всей массы Вселенной. Это в 6 раз больше, чем масса «видимого» вещества (всех звезд и газа), и понятно, что темное вещество «заправляет» Вселенной в куда большей мере, чем обычное. Тем более хочется разгадать, что же это такое.

Термин «темное вещество» был введен в 1933 году американским астрономом Цвикки. Он изучал скопления галактик и заметил непонятные аномалии в движении отдельных галактик внутри этих скоплений. Любая взятая случайно галактика движется так, как будто общая масса скопления больше суммы масс входящих в него галактик. Поскольку эта «излишняя» масса невидима, Цвикки предложил назвать ее «темной». Несколько позже в скоплениях были обнаружены облака горячего газа. Их измеренные характеристики позволили независимым образом рассчитать массы тех же скоплений. Она опять оказалась больше суммы ее составных частей. Возникло впечатление, что в скоплениях галактик действительно имеется невидимая, «темная» масса, в несколько раз превосходящая массу всего видимого вещества (звезд и газа).

Через несколько десятилетий после Цвикки американка Вера Рубин заметила подобные аномалии в движении отдельных звезд внутри вращающихся спиральных (плоских) галактик. В отличие от твердого диска, галактика не вращается как единое целое — каждая звезда движется сама по себе, вращаясь вокруг центра галактики, как планета вокруг Солнца, только «Солнцем» для нее является вся та масса галактики, которая ближе к центру, чем эта звезда. Законы Ньютона приводят к выводу, что в этом случае скорость звезды по мере ее удаления от центра галактики должна спадать.

Но Рубин обнаружила, что на самом деле скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной. Такое впечатление, что предписанный ньютоновой механикой спад скорости по мере удаления звезды от основной массы галактики компенсируется наличием какой-то дополнительной невидимой массы. Чтобы полностью компенсировать этот спад, невидимая масса должна нарастать пропорционально расстоянию до центра галактики. Это означает, что каждая галактика погружена в огромное сферическое облако невидимого («темного») вещества. Рассчитано, к примеру, что в случае нашей галактики диаметр этого облака составляет примерно 300 тысяч световых лет — в 3 раза больше диаметра самого Млечного Пути.

Гипотеза темного вещества объясняет особенности движения вещества в галактиках и их скоплениях, но не может объяснить некоторые другие загадки. Например, чтобы понять с ее помощью наблюдаемые различия в аномалиях вращения газа в разных галактиках, нужно постулировать, что темное вещество в каждой из них распределяется по-своему, то есть всякий раз приходиться подгонять его плотность в сферическом облаке иным образом. Это некрасиво. Между тем большие физики заповедали всем прочим, что правильная теория должна быть также изящной.

Далее, эта гипотеза не может объяснить также весьма странную особенность гигантских эллиптических галактик: сегодня считается, что они возникли из слияния спиральных галактик поменьше, а между тем их периферийные звезды вращаются так, как будто никакого темного вещества в них нет. Ну, и наконец, никто до сих пор не нашел никакого следа тех экстравагантных нейтралино и аксионов, из которых, как предполагают, состоит темное вещество.

Большинство астрофизиков примирились с этими недостатками в надежде, что со временем им удастся их устранить. Однако некоторые «еретики» пошли другим путем. Они попытались объяснить аномалии движения звезд в галактиках, не обращаясь к гипотезе темного вещества. Вместо этого они выдвинули другую гипотезу, предположив, что на больших расстояниях от центра галактики закон тяготения Ньютона (согласно которому сила тяготения спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от притягивающего тела) сменяется другим законом (по которому сила тяготения спадает медленней).

Были предложены различные варианты этого «неньютонова закона тяготения». Всем им, как первым заметил израильский физик Мильгром, был присущ один общий недостаток. Какую бы зависимость от расстояния ни придумать, она неизбежно приведет к выводу, что отличие движения периферийных звезд от ньютоновских предписаний должно быть тем больше, чем больше расстояние этих звезд до центра, то есть чем больше размеры галактики. Но это противоречит наблюдениям: есть тусклые маленькие галактики с очень большими аномалиями и большие, яркие спиральные галактики с малыми аномалиями. Исходя из этого, Мильгром еще в 1983 году предложил принципиально иное изменение закона Ньютона. По его гипотезе, величина аномалии, то есть отклонения движения звезды от ньютоновского, зависит не от расстояния этой звезды до центра галактики, а от ее центростремительного ускорения при движении по «орбите» вокруг этого центра.

Гипотеза Мильгрома получила название МОНД, или «МОдифицированнная Ньютонова Динамика (см. „3-С“, 6/02)». Согласно ней, звезды, движущиеся под воздействием гравитации с ускорением больше какой-то критической величины, движутся нормально, «по-ньютоновски», с обычным ускорением силы тяжести. А вот те звезды, которые по ньютоновскому закону гравитации должны были бы иметь ускорение меньше критического, на самом деле движутся так, будто на них действует другая, неньютонова сила гравитации, которая сообщает этим звездам иное ускорение. Говоря проще, ньютонова механика неприменима там, где она дает телу ускорение меньше критического. Именно такие малые ускорения имеют звезды на периферии галактик. Это означает, что МОНД предлагает объяснить все аномалии в движении таких звезд отклонением от обычного (ньютонова) закона гравитации, без всякого темного вещества. И это ей удается.

На данный момент эта теория сумела успешно, то есть в соответствии с наблюдениями, предсказать движение периферийных звезд более чем в ста галактиках, исходя только из наблюдаемого распределения звезд и газа в них. Теориям, основанным на гипотезе о темном веществе, приходится для этого подгонять для каждой галактики целых три различных параметра. Так же успешно Милырому удалось объяснить и загадку эллиптических галактик: оказалось, что у них, даже на периферии, ускорения звезд много больше критического, а следовательно, движение этих звезд должно быть ньютоновым, — что и наблюдается.

Как уже сказано, большинство специалистов придерживаются гипотезы темного вещества. Не потому, что она святотатственно покушается на законы Ньютона (после Эйнштейна и Бора в физике уже нет священных коров), но по той причине, что МОНД входит в противоречие с двумя китами, на которых стоит современная наука — с общей и частной теорией относительности. Тем не менее у МОНД с каждым годом появляется все больше сторонников. Публикуется все больше научных статей, в которых эти ученые пытаются найти такие расширения теории Мильгрома, что сохранили бы ее плюсы и устранили минусы — прежде всего, разумеется, расхождения с теорией Эйнштейна.

Дальше всех на этом пути продвинулись коллега Милырома Сандерс и израильский физик Бекенштейн, которым удалось найти релятивистскую форму МОНД. А недавно появилось сообщение, что Бекенштейн разработал обобщенную теорию, которая при очень больших скоростях и при ускорениях больше критического, переходит в эйнштейнову теорию гравитации (то есть в общую теорию относительности), при малых скоростях и при ускорениях больше критического — в ньютонову теорию гравитации, а при тех же малых скоростях, но при ускорениях меньше критического — в теорию гравитации Мильгрома. Иными словами, эта теория снимает прежние противоречия между МОНД и ОТО.

Любопытно, что по теории Бекенштейна слабые отклонения от ньютоновой механики должны наблюдаться даже на относительно небольших расстояниях — например, в пределах Солнечной системы. Ускорение, получаемое телами на большом расстоянии от Солнца, должно быть «милыромовским», то есть чуть больше, чем по Ньютону. Возможно, именно этим объясняется загадочный эффект, давно смущающий ученых: два космических корабля («Пионеры»), запущенные много лет назад и сейчас находящиеся как раз на окраине Солнечной системы, неожиданно стали слегка ускоряться. Противники МОНД объясняют это чисто техническими причинами. Недавно выдвинуто предложение (оно всерьез рассматривается в НАСА) послать к «Пионерам» современный корабль, который перехватит их до выхода из Солнечной системы и в точности выяснит, что с ними происходит.

Будет очень интересно, если окажется, что происходящее с ними совпадает с предсказаниями новых теорий, что, в свою очередь, заставит по-иному взглянуть и на темное вещество.

Владимир Сурдин

 

Долгожданное возрождение

Этой небольшой книжкой[* Чернин А. Д. «Космология: Большой Взрыв». «Век-2». — 2005.] о Большой Вселенной отмечено весьма радостное событие в области популяризации науки: в 2005 году усилиями фрязинского издательства «Век-2» родилась серия научно-популярных брошюр карманного формата «Наука сегодня». Любознательный читатель давно ждал возрождения изданий такого типа, позволяющих автору быстро донести до читателя новости науки, а читателю — быстро познакомиться с этими новостями, ну, скажем, в общественном транспорте или в перерыве между лекциями. Упомянутая серия пока состоит из четырех брошюр: две по астрономии и две по антропологии. Для астрономических книжек взяты самые острые темы: черные дыры (автор — А. М. Черепащук) и космология (А. Д. Чернин). Обе книжечки не просто рассказывают о новостях, а вводят читателя в проблему «с нуля». Думаю, они будут интересны и вполне доступны очень широкой аудитории: школьникам, учителям, журналистам и, конечно, естествоиспытателям всех направлений — от биологов до химиков, не говоря уже о физиках.

Разве не интересно узнать, как ищут черные дыры и как их находят, как можно черпать энергию из черных дыр (вопреки мнению, что они все поглощают и ничего не возвращают) и какая именно черная дыра располагается в центре нашей Галактики. Разве не потрясающая новость, что недавно астрономы открыли всемирное антитяготение, то есть отталкивание всего от всего. На бытовом уровне и даже в масштабах Земли оно не ощутимо, но в жизни галактик играет заметную роль, а со временем эффект антитяготения станет определяющим в эволюции Вселенной. Похоже, что наша Вселенная никогда уже не сожмется, а будет вечно расширяться, да еще с ускорением! При этом главная роль в динамике Вселенной принадлежит темному веществу и темной энергии.

Как видим, фасадом современной астрофизики сегодня оказалась «темная сторона Вселенной» — черные дыры, темное вещество, темная энергия... Их природой озабочены не только астрономы и физики, но даже философы, желающие знать, из чего же в конце концов сделан мир. Еще недавно в поисках решения этой проблемы ученые пытались как можно детальнее рассмотреть элементарные частицы: склонялись над микроскопом, рассматривали через лупу треки частиц, вылетающих из синхрофазатрона... А надо было всего лишь поднять голову и посмотреть вглубь космоса на миллиарды световых лет. Оказалось, что в масштабах Вселенной привычное для нас вещество — это «пыль», налет на чем-то невидимом и неведомом.

Впрочем, Вселенная давно стала для физиков лабораторией, позволяющей изучать экстремальные состояния вещества и пространства-времени. Причем загадочные процессы, перспективные для развития теории, происходят как с видимой материей (напомню об открытии гамма-всплесков, порожденных гиперновыми звездами), так и с невидимым веществом, которое в силу своей невидимости кажется наиболее загадочным и привлекает самую широкую аудиторию ученых и любителей науки.

Черные дыры — хрестоматийный пример того, как теоретический прогноз подтверждается практикой. И хотя физики еще до хрипоты спорят (это не оборот речи, а мое личное наблюдение) о том, позволяет ли теория гравитации существовать черным дырам, астрономы открывают их и спокойно изучают; об этом увлекательно рассказано в книге А. М. Черепашука. Прогноз теории Эйнштейна, созданной в начале XX века, уверенно подтверждается наблюдениями в XXI веке.

Напротив, темное вещество и темная энергия — это обнаруженные в природе объекты, сущность которых совершенно не ясна. В отличие от черных дыр, существования которых теория требовала, антигравитационные свойства вакуума не запрещены теорией, но и не необходимы. Тем не менее, они реально существуют. Читая брошюру А. Д. Черни на, почти на каждой странице сталкиваешься с шокирующими новостями космологии:

«Тяготение никогда уже не будет преобладать во Вселенной. Динамическое доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее».

«Чем быстрее разбегаются галактики, тем меньше плотность их распределения и тем слабее их влияние на свойства пространства-времени. А влияние вакуума тем временем становится все более и более безраздельным».

«Только вакуум способен влиять и не испытывать на себе обратного влияния. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию — вопреки третьему закону Ньютона».

«У вакуума есть отличная от нуля (и притом отрицательная) активная гравитационная масса, а его пассивная гравитационная масса и инерциальная масса — обе равны нулю».

Для популярной брошюры столь крутой замес новой физики непривычен, но тем интереснее в него погружаться! Самое поразительное, что и это неожиданное свойство Вселенной Эйнштейн предвидел: в его теории есть место не только всеобщему притяжению, но и отталкиванию! Эчо невероятное свойство космического вакуума вписывается в рамки теории. Просто для него нет пока привычных нашему разуму интуитивных моделей.

«Новейшие успехи космологии поразительны. Астрономические наблюдения последних лет позволили обнаружить во Вселенной темную энергию, или космический вакуум. В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение».

В больших масштабах в современной Вселенной вакуум преобладает над обычным веществом, а его свойство отталкивания побеждает обычное тяготение. Поэтому галактики разбегаются друг от друга с возрастающими скоростями. Большой Взрыв продолжается, — утверждает Артур Чернин, — космологическое расширение происходит с ускорением, да и сама космология вступила сейчас в полосу взрывного развития: ее теоретические достижения и наблюдательные открытия следуют одно за другим с возрастающей быстротой. Стоит ли удивляться, что не только астрономы, но и прочие любознательные граждане сейчас пристально интересуются проблемами космологии. Издательство «Век-2» явно угадало с выбором этой темы, а профессор Чернин, как всегда — блестя ше воплотил идею в книжку. Ждем продолжения серии «Наука сегодня», ведь сегодняшняя наука — это наша завтрашняя жизнь.

Артур Чернин

 

Темная энергия и всемирное антитяготение

Сила, что движет мирами, — так говорили о тяготении на гротяжении трех с лишним веков, считая от ньютоновых «Начал» (1687 год). Однако в последние несколько лет стало ясно, что и Вселенной как целым, и галактиками вблизи нас движет не тяготение, а антитяготение, универсальная сила космического отталкивания. В 1998—99 годах антитяготение было открыто на самых больших космологических расстояниях порядка 1000 мегапарсек (Мпк), сравнимых с расстоянием до горизонта мира.

В 2000 году его присутствие было замечено также и на относительно малых расстояниях порядка 1 Мпк, в нашем ближайшем галактическом окружении.

Источник антитяготения

Если тяготение создается всеми телами природы — от элементарных частиц до гигантских скоплений и сверхскоплений галактик, — то источником антитяготения служат не тела, а некий не связанный с ними физический объект, который получил название «темной энергии». До 1998—2000 годов об антитяготении и темной энергии ничего не было известно ни из физических экспериментов, ни из астрономических наблюдений. Но в теоретической космологии возможность антитяготения давно уже обсуждалась. Гипотеза об универсальном космическом отталкивании была выдвинута в модифицированном варианте общей теории относительности, предложенном Эйнштейном в 1917 году (хотя таких слов, как антитяготение или темная энергия, у него не было ни тогда, ни позже). Антитяготение представлено в общей теории относительности всего одной величиной — эйнштейновской космологической постоянной.

Идея Эйнштейна получила развитие в середине 1960-х годов в работах Эраста Борисовича Глинера, работавшего тогда в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде. Он показал, что гипотеза космологической постоянной эквивалентна предположению о том, что во Вселенной присутствует идеально однородная «среда» с плотностью, неизменной во времени и пространстве. Подобная среда является вакуумом: движение и покой относительно нее неразличимы, — таково основное механическое свойство вакуума. Далее мы будем говорить об этой среде как о вакууме Эйнштейна—Глинера (ЭГ- вакуум). Весьма вероятно — хотя это и не доказано пока окончательно прямыми наблюдениями, — что темная энергия — это энергия Э Г-вакуума.

Как бы то ни было, темная энергия определенно «темна», по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны. При (почти катастрофическом) недостатке знаний о физике темной энергии, с нею тем не менее можно продуктивно работать, — прежде всего, наблюдать ее, что, конечно, важнее всего, но также и изучать ее теоретическими средствами.

В наблюдениях темная энергия предстает перед нами как объект, для которого вполне пригодно макроскопическое (то есть усредненное по определенным пространственным масштабам) описание. Макроскопическим уровнем приходится в основном ограничиваться пока и в теории. Но даже и в этом случае мы сталкиваемся с затруднениями, когда требуется (например, для педагогических целей) дать ей какое-то общее определение, — особенно в случае, если темная энергия необязательно тождественна энергии ЭГ-вакуума. Действительно, важнейшее отличительное свойство темной энергии понятно — она источник всемирного антитяготения: но не ясно, под какое более общее понятие физики ее можно было бы подвести. Если, однако, не стремиться к слишком большой строгости, то темную энергию можно и в самом общем случае понимать феноменологически как некую сплошную среду, заполняющую все пространство мира. Тогда она оказывается в одном ряду с другими компонентами космической среды, заполняющими то же пространство.

До 1998—2000 годов были известны три таких компоненты: 1) «обычное вещество», то есть протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят планеты, звезды и другие обычные тела природы (считая и нас самих); за этой компонентой закрепилось название «барионы» (хотя электроны к тяжелым частицам и не относятся); 2) «темное вещество», состоящее из гипотетических нерелятивистских элементарных частиц, не участвующих (в отличие от барионов) в сильном взаимодействии; 3) «излучение», под которым понимаются реликтовые фотоны и нейтрино, а также гравитоны и другие возможные ультрарелятивистские частицы. Эти три космические компоненты, или, как сейчас чаше говорят, космические энергии, создают тяготение. Под темной энергией нужно тогда понимать четвертую космическую энергию, отличительным свойством которой служит способность создавать не тяготение, а универсальное космическое отталкивание. Это феноменологическое определение темной энергии мы и будем далее иметь в виду.

Барионы и темное вещество, если рассматривать их в самом большом космологическом масштабе (100—300 Мпк и более), заполняют пространство однородно — в среднем по этим масштабам; излучение же почти идеально однородно и изотропно. Можно предположить, что и темная энергия тоже равномерно заполняет пространство. Для ЭГ-вакуума это определенно так; но то же самое весьма вероятно и в самом общем случае — это подсказывает то обстоятельство, что темная энергия обнаруживается и на самых больших, и на относительно малых расстояниях. Тогда из имеющихся сейчас наблюдательных данных вытекает, что на нее приходится приблизительно 70 процентов полной плотности современной Вселенной. При этом антитяготение оказывается, как мы видим, универсальным и притом доминирующим, судя по его плотности, феноменом природы. В наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения и в масштабе всего мира как целого, и в определенных локальных масштабах, о чем мы скажем в конце статьи.

Темная энергия как среда

Темная энергия ЭГ-вакуума, подобно идеальной сплошной среде, строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Плотность этой среды совпадает с эйнштейновской космологической постоянной (с точностью до численного множителя). Эта среда весьма необычна: ее плотность положительна, а давление отрицательно, причем по абсолютной величине давление равно плотности энергии (эти две физические величины имеют одинаковую размерность).

Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым выяснил Гпинер, уравнение состояния темной энергии характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, — и притом в любой системе отсчета.

Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, — не вполне обычное явление в физике. При «нормальных условиях» давление в «нормальной» жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта теплохода), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же, как мы сказали, равно — по абсолютной величине — его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.

О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум — не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равная нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Не исключено, что ЭГ-вакуум тождествен вакууму физических полей. Можно думать, что темная энергия обязана своим существованием ненулевой энергии вакуума всех частиц и полей природы; такая идея была выдвинута Я. Б.Зельдовичем в конце 1960-х годов. Ее, однако, до сих пор так и не удалось доказать. Причина состоит в том, что для решения вопроса требуется как минимум построить сначала квантовую теорию гравитации и пространства-времени; но это столь трудная (и грандиозная) задача, что существующей фундаментальной теории она все еще не под силу. Тем более, что не все согласны, что пространство-время и тяготение вообще поддаются квантованию: не исключено, что это — сугубо классические объекты[* Подробнее об этом можно прочитать, например, в книге А. М Черепащука и А. Д. Чернина «Вселенная, жизнь, черные дыры». Век-2, 2003.].

Почему антитяготение?

Пора, однако, задать вопрос: почему темная энергия создает не тяготение, а антитяготение?

Все дело в том, что ЭГ-вакуум обладает, как мы уже сказали выше, не только определенной плотностью, но также и давлением. Причем это давление отрицательно. Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что «эффективная» плотность, создающая тяготение, складывается из двух слагаемых: плотность плюс три давления. Так как давление равно минус плотности, такая сумма оказывается отрицательной и равной минус двум плотностям. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.

Если поместить в вакуум две частицы, которые в начальный момент покоятся, то он заставит их двигаться прочь друг от друга. В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга.

Открытие

В 1998—99 годах две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Рис, а другой — Сол Перлмуттер, сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Это было установлено в наблюдениях далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за их исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Опуская другие детали, скажем, что использовались данные о сверхновых определенного типа (1а), которые принято считать «стандартными свечами»; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах. Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них.

Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов; но на очень большом удалении источников становятся существенными космологические эффекты, и, значит, характер этой зависимости позволяет в принципе узнать нечто новое обо всей Вселенной.

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результатах в 1998 году, располагала данными всего о 16 сверхновых нужного типа на нужных расстояниях; у второй группы накопились данные о 40 других сверхновых. И этого уже было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с расстоянием. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, в среднем, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, которая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расширение происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Ускорение же создается темной энергией с ее антитяготением, которое «подгоняет» галактики в их движении друг от друга.

Исследования продолжаются, идет накопление данных о сверхновых звездах. В начале 2006 года число этих звезд на нужных расстояниях превысило сотню. Но и этого все еще недостаточно для уверенных выводов, касающихся, например, уравнения состояния темной энергии. Как считают специалисты, для задач такого рода требуется не сотня, а скорее тысяча сверхновых. Возможно, этот рубеж будет достигнут к концу нынешнего десятилетия.

Тем временем присутствие антитяготения и темной энергии было замечено (в 2000 году) сравнительно недалеко от нас, на расстояниях в 1—3 Мпк. Это было сделано по наблюдениям движения близких галактик астрономами Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга при МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Санкт-Петербургского университета в сотрудничестве с астрономами Финляндии. Тем самым было доказано, что темная энергия — это универсальный космический феномен, а антитяготение является всемирным — в том же смысле, что и ньютоново всемирное тяготение.

Сергей Ильин

 

До чего доведет «распирание» Вселенной?

Изучение далеких сверхновых звезд привело к установлению закономерности: начиная с какого-то времени скорость расширения Вселенной увеличивается. Вселенная стала расширяться ускоренно.

На первый взгляд это утверждение кажется безумным. Не встроено же во вселенную какое-то «распирающее устройство», которое запрограммировано включиться в определенный момент! Но если вдуматься, станет ясно, что дело может обстоять гораздо проще.

Представим себе, что во Вселенной есть некое постоянное, но малое «распирающее поле». По причине малости оно до поры до времени меньше поля гравитации вещества, которая тормозит расширение пространства. Но расширение все же происходит, и по мере роста «объема» Вселенной плотность вещества в нем уменьшается. Стало быть, уменьшается и гравитация. И наступает момент, когда исходно большая, но убывающая гравитация сравнивается с исходно маленьким, но постоянным «распирающим полем», а потом ему и уступает. И тогда это поле начинает все энергичнее «распирать» пространство, ускоряя его расширение.

Всякое поле — это распределенная в пространстве энергия, и загадочное «распирающее поле» — не исключение. Оно имеет энергию, — которая сразу же получила название «темной», — а потому имеет эквивалентную этой энергии массу, способно дополнить совокупную массу обычного и темного вещества таким образом, что вместе, втроем, они составляют как раз ту критическую массу, которая необходима для того, чтобы наша Вселенная была плоской. Это означает, что парадокс «недостающей массы» может быть разрешен, если принять, что недостающие 70 процентов критической массы привносит поле «темной энергии». Если в небесах есть парламент, то 70% мандатов в нем — это «квалифицированное большинство», которому принадлежит решающий голос, даже в самых важных вопросах.

И один такой вопрос напрашивается сразу: каково будущее Вселенной? Теперь оказалось, что это будущее существеннейшим образом зависит от решения «парламентского большинства», то есть от природы поля «темной энергии», а к пониманию этой природы теоретики еще только подбираются. На данный момент они предложили уже три различные возможности.

Первый раз темная энергия" замаскировалась под "ламбду", или "космологическую постоянную" Эйнштейна. В самом деле, в статичной модели Вселенной по Эйнштейну тоже было некое постоянное поле, которое ее "распирало" и тем самым уравновешивало стягивающий эффект гравитации, позволяя Вселенной оставаться статичной. На этом основании авторы первой гипотезы о природе поля темной энергии называли его "полем космологической постоянной". Но, в отличие от Эйнштейна, они могли теперь указать на происхождение этого поля. Знание это дала им теория инфляции Алана Гута, где оно, это поле, стремительно и чудовищно "раздуло" едва родившуюся Вселенную. Что же вызвало инфляцию?

В отличие от Эйнштейна, Алан Гут не придумал свое "распирающее поле". Он "вывел" его из теории элементарных частиц, которая приводит к выводу (а эксперименты на ускорителях его подтверждают), что "пустое пространство" на самом деле не пусто — оно битком набито "виртуальными частицами". То и дело из "ничего" рождается пара "частица-античастица" (например, электрон и позитрон), и, потанцевав, как мотыльки, в течение кратчайшего, отпущенного им принципом неопределенности, времени, они сгорают в пылких объятиях друг друга, проще говоря — взаимно аннигилируют, выделяя энергию в виде искорки фотона. Это рождение-исчезновение "виртуальных пар" в вакууме наводит на мысль, что в действительности вакуум наполнен невидимой энергией.

В ходе анализа этих выводов теории частиц Гут пришел к заключению, что вакуум может иметь несколько разных, отличающихся по энергии состояний, или "фаз", подобно тому, как обычное вещество может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазах. Вакуум может переходить из одной фазы в другую, и наибольший интерес представляет собой переход из фазы "ложного" (весьма энергетического) вакуума в фазу вакуума "истинного" (с минимальной энергией). Этот фазовый переход напоминает собой процесс замерзания воды, и так же, как в случае воды, "ложный" вакуум может быть "переохлажден", так что он при первом удобном случае "разом" переходит в состояние "истинного", выделяя огромную энергию. Вот эта энергия и создает инфляционное "распирание" Вселенной.

Способность к такому "распиранию" — уникальная особенность "ложного" вакуума, которой нет ни у одного другого объекта. Все обычные материалы отличаются тем, что плотность энергии в них создается веществом, и если объем увеличивается (и соответственно плотность вещества уменьшается), то уменьшается и плотность энергии. Но энергия "ложного" вакуума целиком порождена полем, а поле при увеличении объема попросту заполняет весь новый объем, и потому плотность его энергии все время остается постоянной.

Неизбежно возникает вопрос: откуда берется новая энергия, чтобы при увеличении объема плотность оставалась постоянной? Гут объясняет это так. Положим, "ложный" вакуум заполняет находящийся в обычном вакууме цилиндр с поршнем, и поршень выдвигается, увеличивая объем "ложного" вакуума в цилиндре. Для того чтобы плотность энергии "ложного" вакуума осталась при этом неизменной, нужно, чтобы его энергия возросла, а для этого надо совершить над ним работу. В таком примере вполне понятно, кто ее совершает — это та невидимая рука, которая отодвигает поршень. Но почему же отодвигание поршня требует работы, если дело происходит в обычном вакууме? Единственное объяснение состоит в том, что "ложный" вакуум, видимо, оказывает сопротивление увеличению объема в цилиндре. Заметим, что если бы в цилиндре был обычный воздух, он тоже оказывал бы сопротивление — но сжатию поршня. Обычный воздух сопротивлялся бы вдвигаемому в цилиндр поршню своим давлением на него, направленным наружу, положительным давлением. Стало быть, "ложный" вакуум оказывает сопротивление вытягиваемому из цилиндра поршню своим давлением, направленным внутрь, или "отрицательным" давлением.

Мы приходим к выводу, что странная форма материи, плотность энергии которой всегда, при любом объеме, остается постоянной, должна обладать не менее странным свойством "отрицательного" давления (то есть, в сущности, всасывания). Может показаться, что в масштабах всей Вселенной такой "ложный" вакуум должен оказывать сопротивление ее расширению, должен замедлять его. Увы, во Вселенной нет понятий "наружу" и "внутрь", "ложный" вакуум наполняет ее целиком, и поэтому силы его отрицательного давления во всех направлениях взаимно погашаются. Но все же некое — и фундаментальной важности — действие он оказывает.

Дело в том, что согласно уравнениям теории гравитации Эйнштейна, давление, подобно массе, тоже создает гравитационное поле (для интересующихся: в уравнение для параметров, определяющих геометрию пространства, входят на равных гравитация и давление вещества Вселенной). А отрицательное давление "ложного" вакуума создает, естественно, отрицательный гравитационный эффект — не стягивание Вселенной, а ее расширение. Вот почему "ложный" вакуум способен ускорять расширение Вселенной (а при переходе в "истинный" вакуум — превращать это обычное расширение в стремительную инфляцию).

Такова, грубо говоря, теория, трактующая темную энергию как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением, как некую "космологическую постоянную" (поскольку это поле в данной теории трактуется именно как постоянное). Такая теория предсказывает, что Вселенная будет расширяться бесконечно и все более ускоренно.

В результате очень далекие космические объекты должны достичь такой скорости удаления от нас, что свет от них никогда не сможет прийти на Землю, иными словами — в ускоряющейся вселенной появляется "горизонт", дальше которого никакие телескопы проникнуть не смогут.

И еще одно: обычное расширение Вселенной, то есть непрерывный "прирост" ее пространства, не порождает никаких сил и потому не влечет за собой никакого изменения (расширения) физических тел. Однако совсем иное дело — ускоренное расширение. Оно эквивалентно появлению некой силы, действующей на все тела в сторону их растяжения. Но эта сила очень мала, например, на поверхности Земли нынешнее ускорение расширения Вселенной порождает силу, равную 10 в минус 30- й степени от земного тяготения. А поскольку размеры любого тела определяются суммой всех действующих на него сил, появление этой новой, растягивающей силы вызовет просто крохотную перестройку всех прежних сил и приход Земли к новому равновесию в чуть более увеличившихся размерах.

Но если ускорение расширения будет нарастать (то есть само будет ускоренным), на тела будет действовать все более растущая сила, и это кончится разрывом не только тел, но и составляющих их атомов и даже элементарных частиц, составляющих эти атомы (так называемый Big Rip). Вселенная опустеет, и эта пустота будет продолжать свой ускоряющийся бег к бесконечности.

Гипотеза темной энергии как "космологической постоянной" имеет две трудности. Во-первых, теория частиц, из которой выведено существование вакуумных полей, предсказывает, что плотность их энергии должна быть фантастически огромной — на 120 порядков (то есть в 10 в 120-й степени) превосходящей ту ничтожную, реальную плотность темной энергии, которая следует из оценок критической плотности массы в плоской Вселенной. Но даже если принять, что реальная плотность темной энергии такова, что дополняет общую плотность вселенной до критической, вызывает удивление тот факт, что Вселенная так "тонко настроена". Как спросил один из физиков: "Откуда темная энергия знала, какой ей нужно быть, чтобы Вселенная стала плоской?" Как ни странен, на первый взгляд, этот вопрос, физики относятся к нему со всей серьезностью. Космические "совпадения" их настораживают, они ищут им причинные объяснения.

Так, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что в этой "тонкой настройке" в действительности проявляется "антропный принцип", грубо говоря: мы видим именно такую плотность темной энергии, потому что, будь она иной, нас бы во Вселенной не было вообще (иными словами, наша Вселенная — единственная из множества возможных, которая имеет нужную для жизни критическую плотность). Но большинство других физиков предлагает иной выход из трудности — отказ от принципа постоянства темной энергии. Они отвергают теорию "космологической постоянной", заменяя ее теорией "темной энергии как квинтэссенции" (так называлась в старину "пятая сущность" природы, противопоставлявшаяся воде, земле, огню и воздуху).

Сторонники теории квинтэссенции (Пол Стейнхардт и другие) рассуждают так. Если темная энергия имеет постоянную плотность, то при всяком увеличении объема Вселенной общая величина этой энергии должна возрастать — например, при инфляции, когда объем Вселенной рос экспоненциально, так же должна была расти и общая величина темной энергии. Этот рост мог происходить только за счет вычерпывания начальной потенциальной энергии Вселенной, которая при этом становилась все более отрицательной. Выходит, начальная потенциальная энергия вселенной была "заранее так рассчитана", чтобы после инфляции и последующего "спокойного" расширения Вселенной в ней осталась как раз такая плотность темной энергии, чтобы обеспечить общую критическую плотность (то есть плоский характер пространства). Опять "тонкая настройка", да еще какая!

Не проще ли принять, что поле темной энергии имеет другую, не-вакуумную, не-постоянную природу — тогда оно могло бы меняться со временем: в период инфляции его плотность уменьшалась бы так же, как плотность первичной плазмы, потом — как плотность вещества, а еще позже, после образования во Вселенной крупных "комков" обычного и темного вещества (то есть галактик и их скоплений) — по собственному закону, оставаясь почти постоянной на фоне спадающей плотности вещества.

Эта причудливая и прихотливая смена поведения — не просто фантазия теоретиков. Уже показано, что в природе могут существовать некие особые поля — они получили название "трекерных", или "буксирных", — поведение которых как бы следует "на буксире" за поведением вещества или радиации (в зависимости от того, кто из них доминирует во Вселенной). У этих полей есть одна особенность — хотя им тоже соответствуют определенные волны, эти волны имеют огромную длину — порядка размеров Вселенной, и потому они с обычными частицами не взаимодействуют, зато с появлением таких же огромных "комков" вещества (галактик и их скоплений) тут же вступают с ними в "разговор" и меняют свое поведение в сторону превращения в "распирающие", ускоряющие расширение Вселенной поля. Так что начало ускоренного расширения вселенной (то есть переход поля темной энергии к постоянной плотности) и появление в этой Вселенной живых существ, которые наблюдают это ускоренное расширение, отнюдь неслучайно совпадают по времени: и то, и другое закономерно порождено эволюцией Вселенной, которая на определенном этапе пришла к образованию звезд, галактик и скоплений галактик. Без всякого "антропного принципа".

Нельзя не признать, что все эти общие слова звучат весьма туманно, если не сказать фантастично, но в действительности за каждым словом этой "теории квинтэссенции" уже стоят сложные уравнения, и эти уравнения приводят к определенным предсказаниям, которые отличаются от предсказаний "теории космологической постоянной". Каждая теория дает несколько иную величину ускоренного расширения Вселенной. Это, в свою очередь, ведет к несколько разному характеру тонкой структуры спектра остаточного космического излучения.

Кроме того, в "теории квинтэссенции" плотность темной энергии может меняться не только со временем, но и в разных точках пространства, а это должно сказываться на внутриатомных и внутриядерных взаимодействиях. Обнаружение переменности этих взаимодействий (то есть переменности фундаментальных констант природы со временем) было бы важным свидетельством в пользу "теории квинтэссенции". Возможно, уже ближайшие годы позволят решить, какая из теорий темной энергии" верна, и какая ошибочна.

Но это не означает, что выбор будет производиться только из этих двух теорий. Есть еще и третья, выдвинутая совсем недавно физиком Двали и некоторыми другими. Согласно гипотезе Двали, никакой темной энергии нет вообще, а переход расширения Вселенной к ускоренной фазе объясняется тем, что Вселенная, постепенно расширяясь, достигла таких размеров, когда законы теории гравитации Эйнштейна перестают выполняться и начинают действовать другие, более общие законы, диктующие, в частности, переход к ускоренному расширению. В какой-то мере эта гипотеза подобна теории МОНД, которая отрицает существование темного вещества, утверждая, что слишком быстрое вращение окраин галактик объясняется просто тем, что на больших расстояниях привычный закон тяготения Ньютона уступает место иному закону (см. статью Р. Нудельмана). Гипотеза Двали тоже соблазнительна своей физической простотой, но пока что авторам еще не удалось придать ей непротиворечивую математическую форму. Примерно так же обстоит дело с гипотезой Альбрехта—Скордиса, по которой "темная энергия" вообще "чужда" нашей Вселенной и "вливается" в нее из других измерений пространства.

Наверное, пока достаточно. Мы не будем следовать за этими сложными и все более головоломными конструкциями теоретиков. Расстанемся здесь. Не исключено, что очень скоро ученые дадут нам повод встретиться вновь.

* Заметим, кстати, что в "теории квинтэссенции" судьба Вселенной не может быть предсказана однозначно. Поскольку поле квинтэссенции меняется в зависимости от эволюции состояния вещества в ней, может статься, что ускоренное расширение не будет продолжаться бесконечно, а сменится чем-то другим.

 

Еще три измерения?

Не исключено, что Вселенная насчитывает шесть пространственных измерении. Такое предположение обосновали в своей новой работе Джозеф Силк и его коллеги из Оксфорда.

Три дополнительных пространственных измерения ученые вывели из странного поведения так называемой темной материи — таинственного невидимого материала, проявляющего себя гравитационным воздействием.

Силк и его коллеги рассмотрели, как темная материя ведет себя в маленьких галактиках и в больших группах галактик.

В меньших объектах темная материя, видимо, притягивает к себе обычное вещество весьма заметно. Но в больших группах галактик такого не наблюдается. Там темная материя должна бы составлять ядра куда большие, чем те, что вычислила группа, исходя из анализа вращения объектов.

Возможное объяснение: три дополнительных пространственных измерения меняют гравитационные эффекты на очень коротких расстояниях — приблизительно нанометр. Любопытно, что сходная в чем-то гипотеза о дополнительных измерениях и их проявлении, но не на коротких, а на сверхбольших расстояниям недавно уже высказывалась. Силк же предполагает, что дополнительные изменения в пространстве оказывают влияние на взаимодействие темной материи и иного вещества. Причем, пишут авторы работы, поскольку в массивных галактических группах частицы темной материи разогнаны до более высоких скоростей, чем в карликовых галактиках, то они меньше времени находятся близко к другу, что снижает эффект от существования дополнительных измерений.

 

И тут — влияние темной материи?

Астрофизики из Калифорнийского университета предложили объяснение, почему Млечный Путь "искривлен", то есть выступает из плоскости. Причиной "изъяна" могло стать воздействие двух ближайших галактик, известных как Магеллановы облака, и тяжелого облака темной материи, недоступной непосредственным наблюдениям.

Об искривлении Галактики (частью которой является Солнечная система) известно сравнительно давно. В1957 году "выступы" заметил радиоастроном Бурке: в области длинных волн было видно, что на периферии спирали межзвездный газ выходит за пределы диска. Позже выяснилось, что за счет движения звезд форма Млечного Пути становится все более неправильной.

Вначале это попытались объяснить влиянием других объектов так называемой Местной группы галактик, куда, помимо Млечного Пути, входят туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы облака и еще около 30 небольших звездных скоплений. Известно, что туманность Андромеды слишком массивна и одновременно с тем слишком удалена, чтобы вызывать локальные возмущения. Напротив, Магеллановы облака расположены довольно близко, но сами по себе крайне "легки".

Новая гипотеза предполагает, что галактики-спутники, несмотря на малую массу, все-таки могли быть причиной возмущения. С помощью компьютерного моделирования ученые установили, что Магеллановы облака, будучи окруженными оболочкой из темной материи, моппи исказить бы Млечный Путь нужным образом. Скорее всего они собрали вокруг себя облако невидимых частиц, которое затем от них отделилось.

 

Жертвы "темного вещества"

Наша ближайшая большая соседка по космосу, туманность Андромеды, подобно другим большим галактикам, включая нашу, в немалой степени обязана своими внушительными размерами тому грустному факту, что пожирает малые галактики. В настоящее время около нее пасутся на космическом пастбище еще 14 таких крошек, ожидающих своей очереди попасть на королевский стол.

И вот недавно швейцарский астроном Ева Гребель, используя космический те-

лескоп Хаббла, выяснила, что 9 из этих малых галактик находятся в одной и той же плоскости, пересекающей спиральный диск туманности Андромеды. В поисках объяснений этой явно нестатистической странности Гербель выдвинула предположение, что галактики выстроились так под влиянием темного вещества, составляющего четверть всей массы космоса. Это вещество уже на первом этапе жизни Вселенной рассеялось в пространстве, образовав систему "нитей" и "простыней" космического масштаба, и, видимо, одна из таких "простыней" стала тем гравитационным "ковром", по которому скользят себе на погибель несчастные малышки.

 

Темная энергия заявила о себе еще тридцать лет назад

В 1972 году Алан Сэндидж из Калифорнийской обсерватории Карнеги пришел к заключению, что в ближних к нам регионах Вселенной, где ее расширение происходит в наименее быстром темпе, гравитационное притяжение может приводить к заметным отклонениям в скорости движения разлетающихся галактик. Эти отклонения получили название "пекулярных скоростей", Сэндидж показал, что у галактик, которые располагаются вокруг Местной группы, пекулярные скорости ненормально низки.

И вот теперь астрономы заявляют, что эта аномалия уже тогда могла бы заставить космологов заподозрить существование темной энергии. В1977 году сотрудник Университета штата Вашингтон Фабио Говернато построил компьютерную модель формирования галактик — с момента большого Взрыва и до наших дней. Однако эта модель оказалась неспособной объяснить причину столь низких пекулярных скоростей у близких к нам галактик.

Но сейчас, когда Говернато и его коллеги ввели в свою модель фактор темной энергии, выяснилось, что новая модель совершеннейшим образом соответствует реальности. В тех регионах модели, которые напоминают Местную группу и ее "окрестности", пекулярные скорости оказались как раз такими, какими их наблюдают в действительности. "Это доказывает, что галактики — острова в море темной энергии", — утверждает Говернаго.

Он же, однако, считает, что в 1970-е годы темная энергия осталась бы лишь гипотезой — и то в лучшем случае. Без нынешних компьютерных мощностей, даже если бы кто-нибудь и выдвинул такую идею, ему мало кто поверил бы.

"Темное вещество" и новые открытия

Раз в 10000 лет Солнечная система в своем движении через космическое пространство "купается" в темной материи, то есть может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. 06 этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.

Удалось выявить местонахождение двух обширных облаков горячего межзвездного газа, которые могут быть связаны с некоторой частью темной материи. Компьютерное моделирование показывает, что эта невидимая материя должна формировать паутинообразную структуру из газовых облаков, внутри которых образуются скопления галактик. Эти облака до сих пор никто не мог обнаружить из-за их чрезвычайно низкой плотности.

С помощью цифрового обзора неба удалось выявить никем не замеченную группу звезд. Это может пролить новый свет на историю формирования звездного ореола Млечного Пути, а также разрешить загадку с предсказанием модели преобладания во Вселенной так называемого "холодного темного вещества".

Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми темными ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишая темного вещества.