Рафаил Нудельман
Сквозь галактики, навылет
Завершая Главную тему восьмого номера за прошлый год («О темных стихиях замолвите слово...»), мы не исключали, что «очень скоро ученые дадут нам повод встретиться вновь». Что ж, они не заставили себя ждать. Два сюжета нашей рубрики возвращают нас к обсуждению «темных» сторон мироздания.
Раз в несколько месяцев группа ученых «еретического» направления рассылает по интернету очередной выпуск своего бюллетеня альтернативной космологии. Он обычно состоит из двух-трех подразделов, каждый из которых посвящен какому-то из спорных пунктов в принятых сегодня представлениях о космосе и содержит ссылки на статьи, содержащие очередные экспериментальные или теоретические доказательства ошибочности этих представлений. В 2004 году группа созвала даже специальную конференцию под названием «Кризис в космологии», где были доложены результаты соответствующих исследований. В печати уже можно найти популярные книги авторов этого направления, например «Большой Взрыв никогда не происходил» (см. также рубрику «Новости науки»).
После Большого Взрыва вторым излюбленным направлением атаки «альтернативщиков» является «темное вещество». Вот и последний выпуск «Бюллетеня» содержал несколько ссылок на статьи, опровергающие очередное доказательство реальности «темного вещества», полученное при изучении так называемого Пулевидного скопления галактик (результаты этого изучения, продолжавшегося несколько лет с помощью самых могучих космических телескопов — Хаббла, Чандры и Магеллана, были опубликованы в августе 2006 года). В главной статье этого раздела астрофизики Мофатт и Броунштейн показывают, что их новая теория МОГ (или «Модифицированная Гравитация») полностью объясняет эти результаты без привлечения гипотезы о «темном веществе».
Спор интересный и, возможно, очень важный для всего будущего развития космологии. Верно, большинство специалистов этой области отвергает претензии альтернативщиков, но разве не бывало уже в истории науки, что большинство ошибалось? Поэтому стоит прислушаться, о чем идет спор на нынешнем его витке, а это требует небольшого отступления о «темном веществе» и Пулевидном скоплении.
Представление о невидимом (потому что необычном, не излучающем свет, а потому темном) веществе появилось очень давно, когда было подмечено, что наружные части спиральных галактик «позволяют себе» обращаться вокруг их центра быстрее, чем это дозволяет ньютоновский закон гравитации. Гравитационного притяжении всех видимых звезд и газа в центральной части галактик явно не хватало, чтобы «удержать на привязи» чересчур быстро вращавшиеся наружные части, и потому возникло предположение, что кроме видимых звезд и газа в центре галактики есть еще «что-то», оказывающее гравитационное воздействие удерживая звезды вместе. Это «что-то» и получило название «темного вещества». (Позже эксперименты по проверке теории Большого Взрыва позволили рассчитать, что в суммарной массе Вселенной такое вещество составляет примерно 25%).
Возражения против гипотезы «темного вещества» послышались сразу же. Все они исходили из допущения, что слишком быстрое вращение наружных частей галактик можно объяснить и без «темного вещества», стоит лишь «подправить» закон гравитации на больших расстояниях, Из всех попыток такой подправки самой плодотворной оказалась теория МОНД («МОдификация Ньютоновой Динамики») разработанная израильским физиком Мильгромом и расширенная на релятивистские, то есть близкие к скорости света скорости другим израильским физиком Бекенштейном (под названием ТВСГ, или «тензор- вектор-скаляр-гравитация»). Эта теория и впрямь хорошо объясняла эффект вращения в отдельных галактиках, не прибегая к гипотезе о «темном веществе», но плохо справлялась с таким же эффектом в скоплениях галактик (где наружные галактики тоже вращались быстрее, чем нужно). Недавно Мофатт и Броунштейн предложили свою альтернативу, упомянутую выше МОГ, и, как видим, утверждают сейчас, будто она объясняет данные, полученные при изучении Пулевидного скопления галактик. Присмотримся, что же на самом деле говорят эти данные.
Пулевидное скопление представляет собой, в действительности, сразу ДВА скопления галактик в процессе их столкновения. «Пулевидным» его назвали потому, что одно из скоплений (поменьше размером) выходило из второго со скоростью порядка 4500 (плюс 1100 минус 800) километров в секунду. Скопления галактик — вообще чуть ли не самый впечатляющий объект во Вселенной (если не считать ее крупномасштабной структуры — «листов» и «нитей»), а уж столкновение двух таких объектов — и того пуще (см. рубрику «Новости науки»).
Космические масштабы всегда поражают своей несоизмеримостью с чем-либо человеческим — в самом деле, как можно соизмерить нашу человеческую жизнь с теми четырьмя миллиардами (!!) лет, которые затратил свет, чтобы прийти к нам от Пулевидного скопления? Как наглядно представить себе участвующие в этом столкновении массы: ведь в каждом скоплении около миллиона миллиардов Солнц!!! А возникающие при этом температуры — 70 миллионов градусов в малом скоплении и 100 миллионов — в большом? Нет, человек не должен поднимать голову к небесам слишком часто или вглядываться в них слишком пристально — к добру это явно не приведет.
Но вернемся к Пулевидному скоплению. Оно было сразу объявлено самым подходящим объектом для проверки гипотезы «темного вещества», и вот почему. Каждое скопление (по общепринятым представлениям) состоит из трех слагаемых — видимых звезд всех его галактик, межгалактического газа и «темного вещества». В процессе столкновения, то есть прохождения двух скоплений друг сквозь друга, эти слагаемые должны вести себя по-разному. Звезды, находящиеся, как мы знаем, на громадных расстояниях одна от другой, должны двигаться так, будто им ничего не мешает, как будто никакого столкновения нет. Напротив, газы обоих скоплений, столкнувшись, должны оказать друг другу сопротивление и породить в силу этого ударную волну, которая пойдет в обе стороны от фронта столкновения, разогревая газы до чудовищных температур (это, кстати, позволит увидеть эти газы, поскольку они начнут испускать мощное рентгеновское излучение).
Поскольку газы будут тормозиться, они в своем движении друг сквозь друга отстанут от звезд, и скопления как бы разделятся надвое. Что же касается «темного вещества», если оно есть, то оно будет поставлено перед выбором типа «с кем вы, мастера культуры» — со звездами или с газом? Узнать, каков его выбор, можно будет с помощью того, что физики называют «эффектом гравитационной линзы». По Эйнштейну, всякий объект огромной массы искривляет своей гравитацией окружающее пространство, и лучи света из-за этого тоже искривляются. Такой объект действует как линза, собирая идущие «сквозь» него лучи в своем фокусе. Если за «линзой» есть светящийся объект (звезда или галактика) и если нам на Земле повезло оказаться вблизи фокуса «линзы», мы увидим некое изображение этого объекта, по которому, в частности, можно будет судить и о свойствах самой «линзы» — какими массами она образована и как они располагаются. Благодаря своей огромной массе Пулевидное скопление должно оказаться хорошей «линзой», и можно рассчитывать, что это позволит разобраться, есть ли в нем «темное вещество» и где именно.
Заметим, что по этой теории МОНД «линза» не может обнаружить никакого влияния «темного вещества», потому что по теории его не существует. Основной «фокусирующий» эффект должен быть образован двумя облаками газа, потому что именно в них сосредоточена основная часть обычного вещества обоих скоплений. А что же показали наблюдения? Согласно самым тщательным измерениям Клоува и Маркевича, газ сосредоточен в центральной области столкновения, а основной фокусирующий эффект создают наружные части обоих скоплений. Эти данные убедительно доказывают, что основная масса обоих скоплений находится не там, где их газ, а по обеим сторонам от него, иными словами, основная масса скоплений связана не с газом, а с чем- то другим. А поскольку расположение двух этих масс не связано с положением звезд, то это могут быть только два гигантских и массивных комка «темного вещества».
Теория МОНД, стало быть, оказалась противоречащей новым наблюдениям. Вот почему все статьи о результатах изучения Пулевидного скопления шли под заголовками типа «Прямое доказательство реальности «темного вещества»!» И верно, на этот раз оно впервые обнаружило себя напрямую, через свое фокусирующее действие в качестве «гравитационной линзы». Но, как уже говорилось выше, «альтернативщики» и тут отказались выбросить белое полотенце. В их последнем «Бюллетене» Мофатт и Броунштейн пишут: «Наша теория МОГ показала замечательное совпадение с данными наблюдений. По нашим расчетам, 83% всей массы обоих скоплений составляет обычное вещество межгалактического газа, а остальные 13% — обычное вещество звезд, без всякого «темного вещества»».
Спор, как видим, продолжается. Теперь нужно ждать обнаружения еще какого-нибудь космического объекта, изучение которого могло бы опровергнуть не только МОНД, но и МОГ — или же подтвердить последнюю, окончательно опровергнув гипотезу о «темном веществе». Интересно, чья же все-таки возьмет?!
Руслан Григорьев
Загадки темной энергии
Здравый смысл говорит нам, что нечто, имеющее космические, даже вселенские масштабы, наверняка не может меняться чуть не со дня на день, как погода. Между тем именно это в последнее время происходит с темной энергией. Не так давно серия измерений, охватившая сотни сверхновых звезд, показала, что эта энергия имеет такие свойства, словно представляет собой ту «космологическую энергию вакуума», существование которой почти 90 лет назад предсказал Альберт Эйнштейн. А спустя буквально несколько месяцев другие измерения привели к выводам, что она ведет себя так, будто обладает характеристиками совершенно иной формы энергии — так называемой «квинтэссенции».
Для лучшего понимания этих противоречивых открытий полезно будет припомнить, что такое темная энергия. Грубо говоря, это некая «пружина», которая понуждает пространство Вселенной не просто расширяться, но расширяться ускоренно. Открытие того, что Вселенная расширяется не с постоянной, как всегда считалось, или даже со все уменьшающейся скоростью, а, напротив, ускоренно, радикально изменило фундаментальные представления науки.
Измерения проводились независимо двумя группами астрономов, и обе группы получили одинаковые результаты. Следовательно, ускоренное расширение Вселенной вполне реально. Сразу возникло предположение, что существует некая материальная причина такого ускорения, и вот она и получила название темной энергии, хотя никто до сих пор не знает, что это, и не знает даже, энергия ли это вообще. Название появилось в силу того, что первые гипотезы о природе данного явления связали его с давней идеей Эйнштейна о космологической постоянной, или, иначе, об энергии вакуума.
Но такое объяснение темной энергии столкнулось с громадной трудностью. Ведь идея «космологического поля» Эйнштейна означала, что в каждом кубометре пустого космического пространства содержится какое- то определенное, одно и то же количество энергии. Поскольку всякое наличие энергии означает, грубо говоря, повышение температуры, то эта космологическая энергия должна была повышать «температуру вакуума». И подобно тому, как нагретый газ оказывает распирающее давление на стенки сосуда, так наличие «подогревающей» энергии вакуумного поля должно приводить к появлению распирающего давления внутри Вселенной — и вот давление нашу Вселенную постепенно и разгоняет. То, что в вакууме могут быть какие-то энергетические поля, физика знает давно. Именно за счет этой «вакуумной энергии» в любой точке вакуума могут появиться — и, как показывают опыты, действительно непрерывно появляются и тут же взаимно уничтожаются — пары микрочастиц, например электрон и антиэлектрон.
Такое «рождение частиц» — прямое доказательство реальности вакуумных полей. Но все это — поля в микрообъемах вакуума. Когда же физики попытались по тем же формулам рассчитать, какова должна быть энергия вакуумного поля в масштабах Вселенной, у них получилась величина, на 123 порядка (!) превосходящая ту, которая нужна, чтобы создать наблюдаемое ускоренное расширение.
Сторонники «космологической теории» еще и сегодня продолжают попытки как-то ее изменить, чтобы согласовать ее с наблюдениями, но другие ученые от нее отказались и выдвинули иные объяснения. На сегодняшний момент главных таких объяснений (вместе с «космологическим») существует уже четыре, и поэтому желательно навести в них какой-то порядок, иначе мы запутаемся. Для этого физики ввели в формулы Общей теории относительности особый параметр, который представляет собой отношение распирающего давления темной энергии к ее же плотности. Расчеты показали, что с учетом наблюдаемых ныне характеристик Вселенной этот параметр должен лежать в границах от (—1,3) до (—0,9). Если он точно равно (—1), то темная энергия имеет характер «космологической». Если же чуть ближе к (—0,9), то темная энергия имеет совсем иной физический характер — это энергия «поля квинтэссенции».
Два слова о квинтэссенции. Это мудреное слово означает попросту «основная сущность». В древности так называли некую тончайшую стихию, которая якобы пронизывает все сущее, а в современной космологии так именуют особое, тоже всепроникающее, поле, которое отличается от «космологического» поля Эйнштейна тем, что не остается постоянным, а может меняться — как во времени, так и в пространстве, от точки к точке. Кроме того, это поле вызывает меньшее ускорение вселенского расширения, потому что в нем распирающее давление меньше, чем в «космологическом поле». В одном из вариантов этой теории («гипотеза фантомного поля») поле квинтэссенции возникает в какой-то момент расширения вселенной и затем нарастает, пока не достигает такой величины, что начинает ускоренно ее разгонять. Все это очень занимательно, но, увы — во всех вариантах порождает огромные трудности, которые, как и в теории «космологического поля», пока еще тоже не преодолены.
Но третьего, как говорится, не дано. Потому что если выбрать третью возможность, когда этот особый параметр хоть немного меньше (—1), то это приведет к полям с отрицательной энергией и массой! Заглядывать в бездны таких головоломных парадоксов физики как-то не спешат. И поэтому два остальных объяснения расширения вообще отказываются от гипотезы о темной энергии. В одном из них вместо этого выдвигается другая гипотеза — что на очень-очень больших расстояниях гравитация становится слабее, чем по законам Ньютона- Эйнштейна. Другое объяснение утверждает, что ускорение вызывается «утечкой» частиц гравитации (гравитонов) в «иные измерения» (с каждым «утекшим» гравитоном в нашей Вселенной становится чуть меньше гравитации, а потому скорость расширения Вселенной становится чуть больше). К сожалению, при изменении законов гравитации на больших расстояниях они должны хоть как-то измениться и на малых, а этого никакие эксперименты не показывают. Точно так же никто до сих пор не обнаружил гравитонов (иными словами — гравитационных волн), хотя их безуспешно ищут уже многие десятилетия с помощью все более точных приборов. Про «иные измерения» говорить уже не стоит.
Такова ситуация, и теперь мы можем вернуться к прерванному рассказу. Чтобы выбрать из наличных (пусть даже страдающих трудностями) альтернатив, нужно иметь больше экспериментальных данных, и именно с этой целью было затеяно изучение не нескольких десятков, а нескольких сотен сверхновых звезд, что должно было повысить надежность результатов. И вот данные этого обширного исследования показали, что наш параметр имеет постоянную величину, очень близкую к (—1), а значит, темная энергия имеет «космологическую» природу. Но не успели ученые переварить эту новость, как на очередной конференции астрономов американский ученый Брэд Шеффер объявил, что по его данным эта величина вовсе не постоянна, а сильно варьирует и более того: если сегодня она близка к (—1), то в ранней Вселенной (10 миллиардов лет назад) она вообще была положительной, то есть не ускоряла, а, напротив, замедляла расширение!
Если слушатели доклада Шеффера перенесли эту новость без инфаркта, то, видимо, лишь потому, что метод, которым работал Шеффер, сразу вызвал у них сомнения. Вместо измерения расстояний до сверхновых звезд он предложил измерять расстояния до источников так называемых космических гамма-вспышек. Это и привело его к сенсационным выводам.
На данный момент ученые оставили эти выводы под вопросом. Но сама ситуация неприятна, потому что показала шаткость космологии в чуть ли не самом важном ее пункте. Поэтому сейчас главные усилия сосредоточились на подготовке еще более широких исследований с применением новых и более точных методов. Заветной датой для ученых стал теперь 2012 год. Начиная с него, НАСА и Европейское космическое агентство планируют начать запуск на орбиту новых видов телескопов и приборов, предназначенных специально для изучения темной энергии.
Первым на очереди здесь будет «Объединенное исследование темной энергии» (JDEM). В его программу заложено не только измерение расстояний до нескольких тысяч сверхновых звезд, но также расстояний между миллионами галактик. Дело в том, что, согласно новейшим теориям, галактики должны располагаться друг от друга в среднем на расстоянии 500 миллионов световых лет (это обусловлено особенностями образования тех первичных микросгустков в ранней вселенной, из которых позже выросли сами галактики). Новые приборы должны проверить, на сколько реальные расстояния больше указанной цифры, и тогда это отклонение покажет, с каким ускорением расширялась Вселенная за время своей жизни в разных точках. Есть и другие эффекты, которые могут дать ответ на этот вопрос, и это, быть может, приведет, в конечном счете, к непротиворечивой теории темной энергии.
ЛЮДИ НАУКИ
Карл Левитин