Temnaya Vselennaya: Syurpriz kosmologii k 100-letiyu otkrytiya Einshteina
31.01.2005 21:50 | L.V. Ksanfomaliti
Kak i vse lyudi, mnogie uchenye neravnodushny k sensaciyam, no predpochitayut sensacii nauchnye. Tol'ko ne chasto sluchaetsya, chtoby novoe sensacionnoe otkrytie zadelo bukval'no vsyu fiziku. Tak bylo v nachale HH veka. V universitetah lektory s kakim-to ottenkom zavisti do sih por rasskazyvayut studentam o tom fantasticheskom vremeni, kogda razom poyavilis' takie giganty, kak Al'bert Einshtein, Nil's Bor, Pol' Dirak i drugie blestyashie uchenye, perevernuvshie vsyu klassicheskuyu fiziku. Ponadobilos' neskol'ko pokolenii, chtoby novye fizicheskie idei organichno vpitalis' naukoi, a zatem stali plodonosit' (inogda, uvy, gribami termoyadernyh vzryvov). Revolyucionnye nauchnye i tehnicheskie dostizheniya vtoroi poloviny HH veka osnovyvalis' glavnym obrazom na gigantskom progresse v fizike tverdogo tela, prezhde vsego poluprovodnikov. No na novom styke vekov v nauke stali razvorachivat'sya sobytiya, masshtab kotoryh vpolne sopostavim s tem, chto byl v nachale XX veka. Na mezhdunarodnyh konferenciyah doklady o novostyah kosmologii sobirayut massu naroda. Novogo Einshteina poka ne vidno, no delo zashlo ochen' daleko. Rech' v predlagaemoi stat'e poidet o novyh otkrytiyah, kotorye priveli k nebyvalo glubokoi revizii predstavlenii o Vselennoi, v kotoroi my obitaem.
V nachale XX veka
Strannye dela proishodyat v nauke pochemu-to kazhdyi raz v nachale veka. Sto let nazad Al'bertu Einshteinu pokazalos', po-vidimomu, malo sozdannoi im v 1905 godu teorii fotoeffekta, za kotoruyu v 1922 godu on byl udostoen Nobelevskoi premii. V period s 1905 po 1916 god Einshtein opublikoval ryad znamenityh rabot po obshei teorii otnositel'nosti (za chto, kstati, premii ne poluchil). Togdashnyaya astronomicheskaya nauka byla sovershenno uverena v stabil'nosti i neizmennosti Vselennoi. Na tom ona i stoyala. I sam Einshtein v tu poru priderzhivalsya togo zhe mneniya. Odnako iz ego uravnenii sledovalo, chto Vselennaya ustoichivoi, "zamorozhennoi" byt' ne mozhet, i eto vyzyvalo u avtora bespokoistvo. Chtoby spravit'sya s nepriyatnoi osobennost'yu "neposlushnyh" uravnenii, on vvel v nih tak nazyvaemyi lyambda-chlen, kotoryi dolzhen byl skompensirovat' nestabil'nost' Vselennoi. Einshtein vovse ne pridaval lyambda-chlenu osobogo fizicheskogo smysla. No vo vtoroi polovine HH veka lyambda-chlen stal lyubimoi temoi diskussii fizikov-teoretikov. Chem dal'she - tem bol'she. S nachalom XXI veka sozdaetsya vpechatlenie, chto vazhnee lyambda-chlena v fizike voobshe nichego net. I v samom dele, za etim terminom taitsya massa eshe neizvestnyh svoistv gigantskoi novoi oblasti astrofiziki, kosmologii, da, po sushestvu, i vsei fiziki. Oblast' eta po krainei mere v 20 raz (po masse, kak budet yasno iz dal'neishego) prevoshodit vse, chto nam do sih por bylo izvestno.
Zdes' umestno napomnit', chto rovno 100 let nazad, s nastupleniem HH veka, mnogie vedushie teoretiki utverzhdali, chto v fizike uzhe "prakticheski vse otkryto", ostalis' lish' neskol'ko "nebol'shih oblachkov nad gorizontom". Iz etih "nebol'shih oblachkov" rodilis' kvantovaya mehanika, teoriya otnositel'nosti (kak ni stranno, nesovmestimaya v nyneshnem vide s kvantovoi mehanikoi), yadernaya fizika, elektronika, fizika tverdogo tela i prakticheski vsya sovremennaya tehnika vysokih tehnologii Izvestno, chto dazhe ochen' znayushie lyudi sklonny nedoocenivat' gryadushii nauchnyi progress. Uchenyi HIH veka Gustav Kirhgof ostavil v fizike zakon izlucheniya i izvestnye shkol'nikam zakony razvetvleniya tokov. Tak vot, kogda let za dvadcat' do konca HIH veka Kirhgofu rasskazali o kakom-to novom otkrytii v fizike, on uhmyl'nulsya sarkasticheski: a razve v fizike ostalos', chto otkryvat'? Primerno takie zhe vyskazyvaniya mozhno bylo uslyshat' i ot ochen' i ochen' izvestnyh uchenyh dazhe v poslednie desyatiletiya HH veka. No ne ot vseh i ne vsegda. Eshe 2000 let nazad v "Voprosah prirody" (kniga 7) vospitatel' Nerona Lucii Annei Seneka pisal tak: "Vremya pridet, kogda nashih potomkov budet zabavlyat', chto my ne znali ponyatii, kotorye oni schitayut takimi prostymi Mnogie otkrytiya prednaznacheny dlya budushih vekov, kogda uzhe sama pamyat' o nas sotretsya... Priroda ne raskryvaet svoi tainy raz i navsegda".
Stacionarnaya Vselennaya nevozmozhna
Vernemsya k 20-m godam proshlogo veka. Revolyucionnuyu teoriyu otnositel'nosti Einshteina srazu zhe prinyal matematik Aleksandr Aleksandrovich Fridman, kotoryi prinadlezhal k Peterburgskoi matematicheskoi shkole i byl togda direktorom Sankt-Peterburgskoi geofizicheskoi observatorii. On bystro ponyal, chto v uravneniyah Einshteina net mesta dlya stacionarnoi Vselennoi, i v svoih rabotah pokazal neizbezhnost' ee rasshireniya. Bolee togo, Fridman byl pervym, kto vyskazal mysl' o tom, chto kogda-to Vselennaya mogla byt' szhatoi do nevoobrazimo vysokoi plotnosti. Seichas eto ponyatie, osnovannoe na itogah nauki HH veka, izvestno kazhdomu studentu-estestvenniku. No kak k etoi mysli mog priiti Fridman, kogda v ego vremya dazhe o sushestvovanii drugih galaktik nichego ne bylo izvestno? On pisal: "Vozmozhny sluchai, kogda Vselennaya szhimaetsya v tochku (v nichto), zatem snova iz tochki dovodit radius svoi do nekotorogo znacheniya" Einshtein ponachalu ne ponyal rabot Fridmana i dazhe vystupil v pechati s ih kritikoi. Bylo eto v 1922 godu. No cherez god opublikoval novuyu stat'yu v tom zhe zhurnale, v kotoroi pisal, chto Fridman prav. (Fridman ostavil mnogo drugih interesnyh idei. Emu prinadlezhat, v chastnosti, klassicheskie raboty po meteorologii. Veroyatno, on mog by sdelat' namnogo bol'she, no umer v 1925 godu v Krymu ot tifa v vozraste 37 let).
Iz oblasti nablyudatel'noi astrofiziki k Einshteinu tozhe prihodili zahvatyvayushie novosti. Eshe v 1912 godu astronom Vesto Slaifer iz Flagstafskoi observatorii v Arizone (SShA), nablyudaya spektry nekotoryh strannyh tumannostei, obnaruzhil, chto linii v ih spektrah sil'no smesheny v "krasnuyu" storonu. Pozzhe eto yavlenie bylo nazvano krasnym smesheniem. (Krasnoe smeshenie - eto effekt Doplera, to zhe, chto rezkoe ponizhenie tona signala avtomobilya ili shuma samoleta, kogda oni proneslis' i udalyayutsya ot vas.) Svoi rezul'taty Slaifer opublikoval v 1917 godu. Togda ne bylo izvestno, chto "strannye" tumannosti - dalekie gigantskie ostrova zvezd, drugie galaktiki, podobnye nashei (ris. 1). Bolee togo, o sushestvovanii inyh galaktik voobshe nikto nichego ne podozreval. Horoshee bylo vremya: Galaktika potryasala svoimi razmerami, a s nei otozhdestvlyalas' i vsya Vselennaya. Kak ni vspomnit', chto i Zemlyu kogda-to vosprinimali ploskoi, toi, chto v predelah gorizonta. Slaifer prodolzhal svoi nablyudeniya mnogo let. Zatem k nemu prisoedinilsya Edvin Habbl: v ego rasporyazhenii byl samyi bol'shoi togda 2,5-metrovyi teleskop observatorii Maunt Vilson v Kalifornii (SShA). V 1927-1929 godah Habbl prishel k vyvodu, chto krasnoe smeshenie - eto sledstvie vzaimnogo udaleniya galaktik. Ostavalsya vsego odin shag, chtoby ponyat', chto Vselennaya rasshiryaetsya, kak i predskazyval Fridman. (Interesno otmetit', chto drugoe fundamental'noe svoistvo Vselennoi - sushestvovanie reliktovogo izlucheniya - predskazal v 1948 godu uchenik Fridmana - Georgii (Dzhordzh) Gamov, kotoryi posle 1933 goda stal nevozvrashencem i rabotal v Evrope i SShA.) Habbl obnaruzhil, chto, chem dal'she nahodyatsya galaktiki, tem s bol'shei skorost'yu oni udalyayutsya. Okazalos', chto skorost' udaleniya galaktiki prosto opredelyaetsya umnozheniem rasstoyaniya do nee na nekotoruyu postoyannuyu, kotoraya i poluchila nazvanie postoyannoi Habbla.
Postoyannaya Habbla
U postoyannoi Habbla strannaya razmernost': edinic chego-to v sekundu. Skorosti razbeganiya galaktik poluchayutsya ogromnymi, do soten tysyach kilometrov v sekundu, a gde-to priblizhayutsya k skorosti sveta. Issledovateli bystro soobrazili, chto na opredelennom rasstoyanii galaktiki prosto perestanut byt' vidny - imenno tam, gde skorost' ih udaleniya kompensiruet skorost' sveta. Eto rasstoyanie - gorizont Vselennoi. Iz sovsem sovremennyh dannyh (v tom chisle o postoyannoi Habbla) poluchaetsya, chto gorizont otstoit ot nas na 13,7 milliarda Chego? Zdes' vporu vspomnit' serzhanta, kotoryi velel soldatam kopat' kanavu "otsyuda i do obeda". Rasstoyanie v astrofizike izmeryayut v svetovyh godah, to est' vremenem, kotoroe trebuetsya svetu, chtoby ego preodolet' (ili v parsekah, chto sostavlyaet 3,26 svetovogo goda). V kilometrah odin svetovoi god vyrazhaetsya edinicei s 13-yu nulyami, ili 10-yu trillionami (to est' millionami millionov) kilometrov. A 13,7 milliarda let potrebovalos' by dlya togo, chtoby svet ot zvezd takoi voobrazhaemoi galaktiki na gorizonte Vselennoi doshel do nas; eto rasstoyanie i sostavlyaet 13,7 milliarda svetovyh let. I zvezd, i etih dalekih galaktik davno uzhe net, no ih svet vse eshe nesetsya k nam. Interesno, chto hotya vo vremena Fridmana postoyannaya Habbla eshe ne sushestvovala, no iz sovsem drugih soobrazhenii on ocenil rasstoyanie do gorizonta Vselennoi v 10 milliardov svetovyh let.
Esli dlya prostoty schitat', chto vremya vo vsei Vselennoi techet odinakovo, legko ponyat', chto sosedei nashih (to est' blizkie galaktiki) my vidim pochti takimi zhe, v tom zhe vozraste, kak oni est'. No galaktika, udalennaya ot nas na rasstoyanie milliona svetovyh let, viditsya na million let molozhe, chem ona est' seichas. Million svetovyh let - eto po nebesnym merkam sushie pustyaki. Astronomy nablyudayut galaktiki na rasstoyanii v milliardy svetovyh let i bol'she. Sootvetstvenno, oni vidyatsya uzhe na milliardy let molozhe. Takim obrazom, vybor rasstoyaniya - eto odnovremenno i vybor vozrasta issleduemogo ob'ekta, razrez Vselennoi vo vremeni. Chem dal'she vy smotrite, tem bolee davnie sobytiya vidite, tem molozhe tam Vselennaya. Pochti vplot' do ee rozhdeniya. Do tochki, iz kotoroi v odin mig i srazu vo vsei Vselennoi nachalos' razbeganie materii. Pervym v 50-h godah o prirode etoi tochki zadumalsya uzhe upominavshiisya Georgii Gamov. Drugoi izvestnyi astrofizik, Fred Hoil, nazval nachalo razbeganiya Bol'shim vzryvom. Nazvanie prizhilos'. (Kstati, izlyublennym hobbi oboih astrofizikov byli razmyshleniya o proishozhdenii zhizni. I ne tol'ko razmyshleniya. G. Gamov byl pervym, kto eshe do biofizikov rasshifroval kod apparata nasledstvennosti. A F. Hoil, provedya raschety, illyustriroval proishozhdenie zhizni takim primerom: razlozhite na ploshadi vse detali razobrannogo do vintika bol'shogo avialainera i dozhdites' uragana. Veroyatnost' vozniknoveniya zhivoi kletki takaya zhe, kak to, chto uragan sluchaino soberet vse detali v gotovyi k vzletu samolet.)
Singulyarnost' - tainstvennaya tochka otscheta
No vernemsya k razbeganiyu Vselennoi. Poluchaetsya, chto 13,7 milliarda let nazad (ne svetovyh, a obyknovennyh let vremeni) vsya ona nahodilas' v nekoi tainstvennoi tochke. Etu tainstvennuyu tochku fiziki nazyvayut singulyarnost'yu (kak u medikov: esli chego ne ponimaesh', nazovi po-latyni, chtoby pacient uvazhal). V singulyarnosti po neizvestnym nam prichinam voznik nemyslimyi vzryv, vybrosivshii vse veshestvo Vselennoi v raznye storony s takoi skorost'yu, chto ono do sih por letit i ne mozhet ostanovit' sya. Chto, kstati, zasluzhivaet osobogo vnimaniya. Snaryad, vybroshennyi vverh, zamedlyaet svoi polet i nachinaet padat', kogda ego kineticheskaya energiya izrashodovana na preodolenie zemnogo prityazheniya (i neizbezhnyh poter'). Zamedlenie rakety kompensiruetsya rashodom topliva, neobhodimym, chtoby vyrvat'sya iz polya tyagoteniya Zemli i Solnca. V razbeganii galaktik, kak i u snaryada, rashoduetsya ih kinetiches kaya energiya, poetomu skorost' dvizheniya posle "vystrela" postepenno dolzhna zamedlyat'sya. No s "vystrelom" u astrofiziki nachinayutsya bol'shie trudnosti, prichem svyazany oni ne tol'ko s materiei Vselennoi, no i s Ego Velichestvom Vremenem. Mnogie (no ne vse) kosmologi schitayut, chto v etoi tainstvennoi tochke voznikla ne tol'ko materiya, no i vremya Vselennoi; ran'she ni vremya, ni prostranstvo ne sushestvovali. Vopros o vozniknovenii vremeni tozhe ne vchera voznik. V V veke na vopros "Chto Bog delal prezhde sotvoreniya mira?" Blazhennyi Avgustin predlagal radikal'nyi otvet: "Vremya - samo tvorenie Boga. Nikakogo prezhde ne bylo".
Postoyannaya Habbla - prekrasnyi instrument. Fakticheski, esli naideny krasnye smesheniya, rasstoyaniya uzhe mozhno schitat' izvestnymi - cherez postoyannuyu Habbla. Estestvenno, ne srazu vse ustroilos'. Zdes' nado skazat', kak vo vremena Slaifera - Habbla opredelyalis' sami rasstoyaniya. Astrofiziki obnaruzhili, chto sredi razlichnyh tipov yarkih zvezd vydelyayutsya dovol'no mnogochislennye zvezdy-cefeidy, yarkost' kotoryh periodicheski izmenyaetsya, prichem period kolebanii yarkosti pryamo svyazan so srednei yarkost'yu zvezdy. Kak u lyubogo istochnika sveta, vidimaya yarkost' zvezdy tem men'she, chem zvezda dal'she. Zavisimost' kvadratichnaya, v 2 raza dal'she - v 4 raza slabee svet. Takovo fundamental'noe svoistvo geometrii nashego mira (kotoruyu my, so svoistvennoi nam samonadeyannost'yu, schitaem trehmernoi). Izmeryaya period kolebanii cefeidy, iz kvadratichnoi zavisimosti legko poluchit' rasstoyanie. Cefeidy stali dlya astronomov "standartnoi svechoi". Odnako za predelami Galaktiki cefeidy uzhe neudobny: ih yarkosti ne hvataet, da i vydelit' ih na slivayushemsya fone zvezd ne udaetsya, a v chut' bolee dalekih galaktikah eto voobshe nevozmozhno. Prihoditsya ishodit' ne iz yarkosti cefeidy, a iz srednei yarkosti vsei galaktiki, no eti yarkosti ochen' razlichny. Esli rasstoyanie udaetsya opredelit' s 20%-noi tochnost'yu, to eto ochen' horosho.
Sverhnovye zvezdy kak standartnaya lampa
Problema eta osobenno obostrilas', kogda uchenye zadalis' ocherednym voprosom: a sama postoyannaya Habbla voobshe-to postoyanna? Mozhet byt', rost skorosti ochen' udalennyh ob'ektov otlichaetsya ot lineinoi zavisimosti skorost'-rasstoyanie vblizi nas i kak eto proverit'? Vprochem, kakoe eto imeet otnoshenie k teorii otnositel'nosti s ee lyambda-chlenom? Kak okazalos', samoe neposredstvennoe. No dlya proverki ponadobilis' novye, trudno dostavshiesya eksperimental'nye fakty. Poluchit' ih pozvolila sovremennaya nablyudatel'naya tehnika nazemnyh i kosmicheskih observatorii. Za poslednie desyatiletiya HH veka v osnashenii observatorii proizoshel grandioznyi perelom: na smenu starym instrumentam prishli teleskopy s mnogometrovymi zerkalami (ris. 2), a starinnye fotoplastinki vytesneny novymi elektronnymi priemnikami izobrazhenii. Esli luchshie fotoplastinki trebovali ne menee 30-50 fotonov dlya polucheniya odnoi tochki na izobrazhenii, to PZS - pribory s zaryadovoi svyaz'yu (vrezka na ris. 2) - otzyvayutsya prakticheski na kazhdyi foton. No dazhe s takoi chuvstvitel'nost'yu i na bol'shih teleskopah, v tom chisle kosmicheskih, ekspozicii rastyagivayutsya na mnogie chasy. S fotoplastinkami nablyudeniya etih novyh ob'ektov issledovanii voobshe nevozmozhny.
Pora rasskazat' o samih ob'ektah nablyudenii. V galaktikah inogda, kraine redko, proishodyat osobye zvezdnye katastrofy, kotorye nazyvayutsya vspyshkami sverhnovyh zvezd. Nazvanie "sverhnovaya" neudachnoe, no otrazhaet tot fakt, chto sverhnovye za vsyu istoriyu chelovechestva v nashei Galaktike nablyudalis' vsego neskol'ko raz. Schitaetsya, chto v srednem odna vspyshka proishodit raz v 100 let. Iz-za togo, chto my nahodimsya na periferii Galaktiki, nablyudeniyam dostupny ne vse vspyshki sverhnovyh. Pri vspyshke sverhnovaya zvezda (ris. 3) svetit kak celyi milliard solnc odnovremenno - kuda tam cefeidam! Pri takoi yarkosti zvezda neskol'ko dnei svetit kak celaya galaktika, "sgoraet" za mesyac, no daet vazhnye dlya nauki rezul'taty - ved' ee mozhno obnaruzhit' priborami na rasstoyanii v neskol'ko milliardov svetovyh let. Imenno sverhnovye byli vybrany kak novaya standartnaya kosmicheskaya svecha dlya zondirovaniya kosmosa. Iz sravneniya opredelenii rasstoyanii po yarkosti (astronomy govoryat - po "blesku") sverhnovoi i - nezavisimo - po krasnomu smesheniyu udalos' prosledit', naskol'ko lineinoi okazalas' zavisimost' skorost'-rasstoyanie, to est' postoyannaya Habbla. Iz razlichnyh tipov sverhnovyh byl vybran klass Ia kak naibolee odnorodnyi po harakteristikam yarkosti. Zvezdy, kotorye mogut stat' sverhnovymi klassa Ia, - eto belye karlikovye zvezdy s massoi do 1,4 massy Solnca, otsvetivshie svoe, szhavshiesya do razmerov Zemli, s ogromnoi plotnost'yu, okolo 1 tonny v kubicheskom santimetre. Nesmotrya na redkost' yavleniya, vysokaya chuvstvitel'nost' novyh elektronnyh priemnikov pozvolila nablyudat' vspyshki sverhnovyh zvezd v drugih galaktikah. V galaktike NGC 6946 (ris. 4) za neskol'ko desyatkov let udalos' zaregistrirovat' celyh sem' sverhnovyh. V srednem, nablyudaya 100 galaktik, mozhno vstretit' odnu vspyshku v god. Dal'neishii progress priborov pozvolil uvidet' takie dalekie galaktiki i v nih vspyshki, chto v celom stala registrirovat'sya snachala odna vspyshka v mesyac, a zatem i po odnoi v nedelyu. Obrabotka etih kraine trudnyh izmerenii snova, v kotoryi raz, pokazala, chto Vselennaya gorazdo slozhnee nashih o nei predstavlenii.
Poyavlenie "temnyh personazhei"
Reshayushie nablyudeniya nachali v 1997 godu dve ochen' mnogochislennye gruppy issledovatelei pod rukovodstvom Adama Raisa, Braiana Shmidta i Sola Perlmuttera (SShA). Uzhe v 1998 godu byli polucheny i opublikovany pervye rezul'taty. 20 iyunya 2003 goda vyshel tematicheskii nomer nauchnogo zhurnala "Science" ( 5627) s chernoi oblozhkoi, na kotoroi edva prosmatrivaetsya chernaya zhe nadpis' "The Dark Side" (Temnaya storona). Takoe koketstvo dlya zhurnala "Science" sovershenno neobychno. Zhurnal privel chetyre stat'i vedushih issledovatelei, kotorye sopostavili rezul'taty nablyudenii dalekih sverhnovyh, temnoi materii i reliktovogo izlucheniya (o nih - v sleduyushem razdele). Pervye itogi okazalis' takimi: postoyannaya Habbla sostavlyaet 72 8 km/c na kazhdyi million parsekov. Vozrast Vselennoi 13,6 1,5 milliarda let (eshe bolee tochnoe opredelenie vozrasta Vselennoi polucheno v eksperimente na sputnike WMAP - 13,7 0,2 milliarda let). Vselennaya na 72% sostoit iz temnoi energii i na 28 5% iz temnoi massy. Vse eti ponyatiya v poslednie gody zreli glavnym obrazom v dvuh oblastyah fiziki: v kosmologii i kvantovoi mehanike, pytayusheisya ob'edinit'sya s teoriei gravitacii (ona zhe obshaya teoriya otnositel'nosti).
Skrytaya (ili temnaya) massa tozhe ne vnezapno voznikla v astrofizike. Vyvody raboty A. Fridmana (1922), v kotoroi on rassmatrival raznye varianty krivizny mira, kasalis' dal'neishei sud'by Vselennoi. Sud'ba zavisit ot srednei plotnosti veshestva vo Vselennoi. Vselennaya mozhet neogranichenno rasshiryat'sya; rasshirenie mozhet ostanovit'sya; ego mozhet smenit' szhatie Dva poslednih varianta aktivno rassmatrivalis' astrofizikami, prichem v 80-e gody v nih bylo vklyucheno takzhe nevoobrazimo bystroe rasshirenie Vselennoi (tak nazyvaemaya inflyaciya), proisshedshee v pervye mgnoveniya Bol'shogo vzryva. Srednyaya plotnost' veshestva vo Vselennoi v principe poddavalas' opredeleniyu uzhe v seredine HH veka. No poluchalos' chto-to strannoe. V 30-e gody astronom Fric Cvikki izuchal dvizhenie svyazannoi gruppy galaktik, kazhdaya iz kotoryh dvizhetsya nastol'ko bystro, chto dolzhna byla by pokinut' gruppu, tak kak ih obshee tyagotenie primerno v 10 raz men'she togo, chto moglo by ih uderzhat'. Tem ne menee oni ostayutsya v sostave gruppy. Summarnuyu massu zvezd, gaza i pyli v galaktikah uchenye umeyut opredelyat'. Ona nedostatochna. Ostavalos' predpolozhit', chto est' eshe kakaya-to temnaya massa, chto-to, chego astronomy ne zamechayut. No pochemu? Imenno srednyuyu plotnost' veshestva, vklyuchaya temnuyu massu, astronomy nadeyalis' vychislit' iz novyh nablyudenii ochen' udalennyh sverhnovyh, sopostavlyaya ih s drugimi dannymi, poluchennymi iz nablyudenii reliktovogo izlucheniya.
Reliktovoe izluchenie
Na yavnoe nesootvetstvie massy vidimogo veshestva Vselennoi ego nablyudaemomu dvizheniyu ukazyvaet eshe odin eksperimental'nyi rezul'tat. Eto tot samyi unikal'nyi effekt, kotoryi v 1948 godu byl predskazan Gamovym, a sootvetstvuyushim instrumentom kosmologiya obzavelas' nemnogo pozzhe, v poslednei treti HH veka. V rossiiskoi nauke ego nazyvayut reliktovym izlucheniem, v zapadnoi - mikrovolnovym kosmicheskim fonovym izlucheniem. Za ego otkrytie v 1965 godu astrofiziki Arno Penzias i Robert Uilson (SShA) udostoeny Nobelevskoi premii. Te, kto znakom s radiotehnikoi, s interesom uznali, chto vozmozhnosti snizheniya shuma v prinimaemom radiosignale ne bespredel'ny. Dazhe samye sovershennye antenny vmeste s poleznym signalom prinimayut nebol'shoi shum, kotoryi, kak okazalos', prihodit srazu so vseh storon. Proishozhdenie shuma ponyali daleko ne srazu (eksperimentatory ne lyubyat chitat' teoreticheskie stat'i). Okazalos', chto eto byvshii svet, svet ostatkov vspyshki Bol'shogo vzryva. Kogda-to on byl pochti takim zhe yarkim, kak svet Solnca, no svetil so vseh storon. V techenie 400 tysyach let posle Bol'shogo vzryva sreda ostavalas' nastol'ko plotnoi i goryachei, chto byla neprozrachnoi dlya sobstvennogo izlucheniya. Nakonec, kogda iz-za rasshireniya temperatura upala do 4000 gradusov, sreda stala prozrachnoi i izluchenie s temperaturoi 4000 K vyrvalos' na svobodu. To zhe prostranstvo okruzhaet nas so vseh storon i segodnya, no ono nastol'ko rasshirilos', chto iz-za krasnogo smesheniya maksimum izlucheniya smestilsya s 0,7 mkm (oranzhevyi svet) do 1 mm (radiovolny) i vosprinimaetsya kak radioshum, izluchaemyi telom s temperaturoi, blizkoi k absolyutnomu nulyu (2,7 K). Reliktovoe izluchenie stalo osoboi temoi kosmologii. Ono zamenilo kogda-to sushestvovavshee ponyatie efira: skorost' dvizheniya Solnechnoi sistemy, Zemli ili kosmicheskogo apparata nel'zya naiti otnositel'no vakuuma, no mozhno opredelit' otnositel'no reliktovogo izlucheniya. A nel'zya li po ego neodnorodnostyam predstavit', kak bylo razbrosano veshestvo v prostranstve v mgnovenie Bol'shogo vzryva? Okazalos', chto mozhno. Reliktovoe izluchenie pozvolilo vybrat' iz modelei Fridmana ploskuyu Vselennuyu. Dlya izmereniya ponadobilis' pribory, sposobnye ulovit' v reliktovom izluchenii nichtozhnye neodnorodnosti - v stotysyachnye doli gradusa. Neodnorodnosti fona, po dannym sputnika WMAP, pokazany na ris. 5 sleva, a sprava predstavleno raspredelenie etih neodnorodnostei po uglam. Glubokii fizicheskii smysl etoi diagrammy predskazal Andrei Dmitrievich Saharov; ee nazyvayut saharovski mi kolebaniyami. Nablyudeniya pokazyvayut, chto, vo-pervyh, fon udivitel'no odnoroden. Vo-vtoryh, saharovskie kolebaniya ukazyvayut vse-taki na takie neodnorodnosti, dlya obrazovaniya kotoryh "obychnogo" veshestva bylo yavno nedostatochno. Chto-to neponyatnoe i massivnoe uzhe togda prisutstvovalo v rozhdayusheisya Vselennoi.
V mire nol' celyh chetyreh desyatyh procenta
Takoi zhe paradoks nablyudaetsya i u nas "doma", v nashei Galaktike, spustya 13,7 milliarda let. Vse zvezdy obrashayutsya vokrug centra Galaktiki, kotoraya imeet formu diska. Solnce so svoimi planetami zavershaet odin oborot vokrug centra za 250 millionov let. Vokrug centra obrashayutsya i sharovye zvezdnye skopleniya (ris. 6), kotorye pri etom periodicheski to podnimayutsya nad ploskost'yu Galaktiki, to opuskayutsya pod nee. Opyat'-taki summarnaya massa zvezd, gaza i pyli v diske Galaktiki znachitel'no men'she toi massy, kotoraya dolzhna byla by ob'yasnit' i obrashenie zvezd, i takoe svoeobraznoe dvizhenie sharovyh skoplenii. V svyazi s aktual'nost'yu novyh kosmologicheskih zadach astronomy so vsei tshatel'nost'yu vzyalis' za reviziyu sushestvuyushih ocenok massy Vselennoi. Rezul'tat okazalsya oshelomlyayushim: vse, chto my vidim vo Vselennoi: zvezdy, gaz, pylevye skopleniya i pochti otkrytye chernye dyry, - sostavlyaet vsego 0,4% ee massy. (A ved' nedavno predpolagalos', chto osnovnaya chast' massy Vselennoi sosredotochena v zvezdah.) Izluchenie daet eshe 0,005%. S vysokoi veroyatnost'yu sushestvuyut otnositel'no massivnye, poka ne otkrytye, nesvetyashiesya ob'ekty - prezhde vsego, mezhgalakticheskie oblaka vodoroda, kotorye trudno obnaruzhit', glavnym obrazom po tehnicheskim prichinam. Na nih, predpolozhitel'no, prihoditsya okolo 3,6%. Pri samyh smelyh gipotezah polnaya massa obychnogo veshestva sostavit ne bolee 4% ot massy Vselennoi! Bol'she vzyat' neotkuda. Eti 4% obrazuet materiya, sostoyashaya iz barionov, k klassu kotoryh otnosyatsya neitrony i protony. Elektrony stol' zhe mnogochislenny, kak i protony, no ih massa na neskol'ko poryadkov men'she. Barionnaya materiya - eto ves' mir obychnogo veshestva Vselennoi. No opublikovannye v 2003-2004 godah rezul'taty novyh issledovanii svoistv reliktovogo izlucheniya priborami sputnika WMAP pokazali, chto v obshei summe barionnoi i temnoi mass barionnaya materiya zanimaet tol'ko 17%.
Temnaya massa Vselennoi - chto pro nee izvestno?
Iz vseh soobrazhenii, upomyanutyh (i ne upomyanutyh) vyshe, sleduet, chto temnaya massa Vselennoi v 6 raz prevyshaet massu materii obychnoi - toi, chto vidyat i chto poka ne zamechayut glaza i pribory. Do 70-h godov astrofiziki naivno predpolagali sushestvovanie temnoi massy tol'ko v skopleniyah galaktik. Zatem ee "dopustili" i v nashu Galaktiku, gde na nee prihoditsya primerno stol'ko zhe massy, skol'ko i na obychnuyu materiyu. V otlichie ot barionnoi materii, kotoraya koncentriruetsya k centru Galaktiki, obrazuya klassicheskii disk, temnaya massa raspredelena bolee ravnomerno v galo, ohvatyvayushem Galaktiku gigantskoi sferoi. V etom smysle vokrug i vnutri nashei zvezdnoi sistemy nahoditsya eshe odna galaktika. Temnaya massa nikak ne vzaimodeistvuet s izlucheniem lyubyh vidov, nikak ne svetit sama i nichego ne pogloshaet. No ona podverzhena zakonu vsemirnogo tyagoteniya i proyavlyaet sebya, koncentriruyas' vokrug galaktik i drugih massivnyh ob'ektov. Vprochem, pravil'nee skazat', navernoe, chto eto galaktiki i drugie massivnye ob'ekty koncentriruyutsya vokrug skoplenii tainstvennoi temnoi massy, kotoroi v 6 raz bol'she. Imenno voznikavshie na rannei stadii Vselennoi neodnorodnosti raspredeleniya temnoi massy priveli k obrazovaniyu pervyh protogalaktik. Bolee togo, iz nablyudenii sputnika WMAP (ris. 5) sleduet, chto ona uzhe sushestvovala v moment Bol'shogo vzryva. Bez nee nash mir ne mog vozniknut'. Krome tyagoteniya temnaya massa nichem sebya ne vydaet. Predpolagaetsya, chto ona sostoit iz kakih-to neizvestnyh elementarnyh chastic s paradoksal'nymi svoistvami (dlya nih uzhe predlozheno nazvanie: "neitralino"). Oni ne tol'ko ne reagiruyut na izluchenie, no i prakticheski ne vzaimodeistvuyut mezhdu soboi. Mnogie issledovateli schitayut, chto oni ostavalis' holodnymi dazhe pri Bol'shom vzryve, nikak ne reagiruya na milliardy ego gradusov. O nih net nikakih, absolyutno nikakih eksperimental'nyh dannyh - krome gravitacii. Zato est' ochen' nauchnoe nazvanie: "holodnaya besstolknovitel'naya temnaya materiya". Nahoditsya li temnaya massa pryamo zdes', ryadom s nami, ili, chtoby ee pochuvstvovat', nuzhna vsya Galaktika? V nashe vremya obychnaya i temnaya materii obitayut po sosedstvu, no pristrastiya u nih raznye. Temnaya materiya rasseyana v okruzhayushei Galaktiku sfere, a obychnaya skoncentrirovana v diske i central'nyh chastyah Galaktiki, hotya eto ne znachit, konechno, chto temnoi materii net vokrug i vnutri nas. No oshushaet li ee, kak sily tyazhesti i inercii, moi kot, kotoryi sidel vozle menya i seichas sprygnul s komp'yutera? U menya takoe oshushenie, chto nashi s nim poznaniya o temnoi materii odinakovy.
No chto zhe mogli by predstavlyat' soboi eti gipoteticheskie elementarnye chasticy temnoi massy? Est' tol'ko dogadki teoretikov, prichem okolo desyatka variantov. Vo-pervyh, chasticy temnoi massy dolzhny byt' dolgozhivushimi, ne dolzhny raspadat'sya radioaktivnym obrazom v techenie po men'shei mere 14 000 000 000 let. Raz oni ostavalis' holodnymi pri Bol'shom vzryve, znachit, oni nerelyativistskie (medlennye) i poetomu sposobny byli sozdat' gravitacionnye neodnorodnosti pryamo v moment vzryva. Kandidatami na rol' chastic temnoi massy nazyvayut slabo vzaimodeistvuyushie massivnye chasticy (angliiskaya abbreviatura WIMPs), kotorym teoretiki pripisyvayut interesnye svoistva, no kotorye, uvy, eshe ne otkryty. Chto uzhe izvestno, tak eto plotnost' temnoi massy. V mezhgalakticheskom prostranstve, v kube so storonoi 170 000 km (polovina rasstoyaniya do Luny), soderzhitsya v srednem vsego 1 g obychnogo, barionnogo (svetyashegosya), veshestva i okolo 10 g temnoi massy. Vblizi Zemli-Luny (i voobshe v Solnechnoi sisteme) plotnost' obychnogo veshestva v milliony raz bol'she. No v celom Vselennaya - eto glavnym obrazom pustota (a luchshe skazat' - vakuum).
Na scenu vyhodit vakuum
V konce HH veka schitalos', chto v formirovanii Vselennoi prinimali uchastie dve gigantskie sily. Soglasno etim predstavleniyam, pervoi byl Bol'shoi vzryv s nevoobrazimo bystrym rasshireniem na rannei stadii. Zatem energiya i massa stali kondensirovat'sya v elementarnye chasticy, atomy, zvezdy i galaktiki, udalyavshiesya drug ot druga s bol'shoi skorost'yu (po-vidimomu, eto i est' skorost' rasshireniya samogo prostranstva, hotya s etim ponyatiem voznikaet putanica). No vtoraya sila, ih vzaimnoe tyagotenie, pogloshala kineticheskuyu energiyu razleta, postepenno zamedlyaya dvizhenie. Vyyasnenie haraktera zamedleniya i dolzhno bylo stat' otvetom na predlagaemye scenarii dal'neishego razvitiya sobytii: ostanovitsya li ono kogda-nibud' i poidet vspyat', ili tyagoteniya nedostatochno, i rasshirenie, zamedlyayas', budet prodolzhat'sya vechno. Razbrosannye v vakuume Vselennoi vspyshki sverhnovyh v udalennyh na raznye rasstoyaniya galaktikah, kak nadeyalis' uchenye, dadut nakonec otvet. I otvety deistvitel'no byli polucheny. Tol'ko sovsem ne te, chto ozhidalis'. V delo vmeshalsya vakuum, kotoryi, skoree vsego, i opredelyaet sud'bu Vselennoi i dazhe, vozmozhno, ee otdalennuyu katastrofu.
Fiziki i ran'she schitali, chto vakuum kosmicheskogo prostranstva - samyi slozhnyi ob'ekt prirody. No uzhe 100 let eksperimentatory nikak ne mogut k nemu podstupit'sya, hotya on v ih rasporyazhenii v neogranichennom kolichestve. Na svoistvah vakuuma postroena vsya radiosvyaz', ot kosmicheskih apparatov do televideniya i sotovyh telefonov. No eto lish' odno iz mnogih ego svoistv. Kvantovaya teoriya pokazyvaet, chto vakuum kak by kipit elementarnymi chasticami, kotorye parami chastica-antichastica (naprimer, elektron-pozitron) na mgnovenie poyavlyayutsya na ego "poverhnosti" (poverhnosti chego?) i tut zhe nyryayut obratno. Eti pary nazyvayutsya virtual'nymi; oni vezdesushi. Imi ob'yasnyayutsya dazhe nekotorye osobennosti spektra vodoroda. Pri opredelennyh usloviyah fizikam udaetsya ih "poimat'". (V te "urozhainye" na fizicheskie otkrytiya desyatiletiya nachala HH veka, v 1928 godu, Pol' Dirak vydvinul gipotezu o beskonechnom "more" provalivshihsya kuda-to elektronov. "More" provalivshihsya elektronov imeet beskonechnuyu, no otricatel'nuyu energiyu. Pary elektron-pozitron svyazany imenno s morem Diraka.)
Vozvrashenie lyambda-chlena
Virtual'nye chasticy obladayut nekotoroi energiei. Na pervyi vzglyad, ishodya iz intuitivnyh predstavlenii, o kakoi energii pustoty mozhno govorit'? No kvantovaya mehanika ne v ladu s nashei intuiciei. Na etot raz ona nachala igry s lyambda-chlenom, kotoryi v poru svoego vozniknoveniya v rabote Einshteina nikakogo otnosheniya k kvantovoi mehanike ne imel. (Kvantovuyu mehaniku Einshtein "ne uvazhal", schitaya ee lish' fasadom chego-to skrytogo, a pro ee veroyatnostnye zakony govoril, chto "ne verit, chto Bog igraet v kosti"). No posle desyatiletii zabveniya lyambda-chlena, otvergnutogo samim avtorom, fiziki vnov' vernulis' k nemu. V konce 60-h godov energiya pustoty vyshla v ryad vazhneishih problem teoreticheskoi fiziki. Na Moskovskom astrofizicheskom seminare kosmologicheskaya postoyannaya, grecheskaya "lyambda", postoyanno voznikala na doske, a perepolnennaya auditoriya vnimala, zataiv dyhanie, paradoksal'nym ideyam, kotorye ei blistatel'no izlagali Yakov Borisovich Zel'dovich, Iosif Samuilovich Shklovskii, Andrei Dmitrievich Saharov i drugie, uzhe pokinuvshie nas korifei. Obshaya teoriya otnositel'nosti trebuet, chtoby v kachestve istochnikov gravitacii rassmatrivalis' vse formy energii, vklyuchaya energiyu pustoty. V 1967 godu Zel'dovich provel pervye raschety plotnosti energii kvantovogo vakuuma i nashel, chto ei sootvetstvuet lyambda-chlen nevoobrazimoi velichiny. V 1967 i 1968 godah on opublikoval raboty, v kotoryh pokazal, chto lyambda-chlen, ili kosmologicheskaya postoyannaya, - eto ne krivizna mira, a plotnost' energii vakuuma. Kosmologicheskaya postoyannaya stanovilas' temoi nomer odin. Teoretiki snova i snova obrashalis' k plotnosti energii vakuuma. Skazat', chto ih rezul'taty kazhutsya absurdnymi, - slishkom myagko. Raschety pokazyvali, chto energiya pustogo prostranstva prevoshodit VSYu energiyu Vselennoi (esli ocenit' ee s pomosh'yu znamenitogo "em-ce-kvadrat"), net, ne v milliardy, ne v trilliony - v edinicu so 120 nulyami raz. Pri nekotoryh (uslovnyh) dopusheniyah mozhno vvesti ogranichenie, i chislo nulei snizhaetsya do 55, ot chego ne legche. Esli dopustit', chto stol' vysokaya plotnost' energii vakuuma real'na, ona mgnovenno razdrobila by i razbrosala vse veshestvo Vselennoi.
Eksperiment. Otkrytie vsemirnogo antityagoteniya
Poka teoretiki bilis' nad nemyslimoi plotnost'yu energii vakuuma, tehnika eksperimenta dostigla takogo sostoyaniya, kotoroe pozvolilo provesti izmereniya yarkosti sverhnovyh, raspolozhennyh na polputi k gorizontu Vselennoi, o chem uzhe govorilos' vyshe. Rezul'taty nablyudenii ochen' dalekih sverhnovyh pokazany na ris. 7. Po gorizontali otlozheno krasnoe smeshenie z, kotoroe prosto ravno otnositel'noi velichine smesheniya dlin voln spektral'nyh linii sverhnovoi. Esli z = 0,5, eto sootvetstvuet primerno 1/3 rasstoyaniya do gorizonta Vselennoi; z = 1 - Vselennaya v vozraste 6 milliardov let; z = 6 - molodaya Vselennaya, 1 milliard let. Po vertikali pokazana raznost' mezhdu teoreticheskoi yarkost'yu sverhnovoi v pustom prostranstve i real'no nablyudaemoi ee yarkost'yu. Kak uzhe govorilos', dalekie galaktiki predstayut takimi, kakimi oni byli milliardy let nazad. Sootvetstvenno takimi togda byli i svoistva prostranstva, v kotorom oni nahodilis'. Esli s teh por rasshirenie zamedlilos', eto dolzhno byt' vidno v izmereniyah. Chto zhe pokazal eksperiment? Uzhe pri z = 0,5 yarkost' sverhnovoi okazyvaetsya na 25% men'she teoreticheskoi. No pri z = 1 vmesto umen'sheniya yarkost' vozrastaet. Krivaya na ris. 7, s kotoroi horosho soglasuyutsya izmereniya, predstavlyaet teoreticheskuyu model'. (V nei sootnoshenie plotnosti energii vakuuma i veshestva sostavlyaet 0,7 k 0,3.) Vyvody poluchayutsya takimi. Velichina krasnogo smesheniya z = 1 - eto to vremya, do kotorogo vse shlo primerno tak, kak predskazyvala teoriya: skorost' razbeganiya galaktik pod deistviem vsemirnogo tyagoteniya postepenno zamedlyalas'. Vplot' do vozrasta 7 milliardov let dvizheniem galaktik upravlyala materiya cherez gravitaciyu. No dal'she v ih dvizhenii proizoshli izmeneniya. Vmesto zamedleniya galaktiki stali USKORYaT'SYa, prichem ih uskorenie eksponencial'no narastaet v techenie poslednih 5 milliardov let. Vsemirnoe prityazhenie smenilos' vsemirnym ottalkivaniem, ili antigravitaciei! My zhivem primerno v seredine perioda, kogda rol' temnoi massy (vmeste s obychnym veshestvom) smenilas' rol'yu temnoi energii. Pri vozraste 7 milliardov let ih otnoshenie bylo 10:1. Cherez 14 milliardov let otnoshenie stanet obratnym, 1:10 (ili 10 : 1, no uzhe v pol'zu temnoi energii). Svoistva antigravitacii udivitel'ny. Nam predstavlyaetsya estestvennym, chto puteshestvennik, kotoryi otpravilsya iz punkta A v punkt B, udalyayas' ot A, priblizhaetsya k B. No puteshestvenniki na mezhgalakticheskom korable otdalennogo budushego smogut uvidet', chto antigravitaciya udalyaet ot nih vse punkty odnovremenno.
Temnaya energiya i sud'ba Vselennoi
Na sushestvovanie antigravitacii ukazyvayut i rezul'taty issledovanii reliktovogo izlucheniya, i nablyudeniya sverhnovyh. Istochnik antigravitacii, temnaya energiya, predstavlyaet soboi nesravnenno bol'shuyu zagadku, chem temnaya massa. Po-vidimomu, vliyanie temnoi energii sushestvovalo vsegda, no stalo proyavlyat'sya lish' togda, kogda sily gravitacii Vselennoi oslabilis' iz-za ee rasshireniya. Naibolee podhodyashii kandidat na rol' temnoi energii - vakuum. Est' i drugaya gipoteza: kosmicheskoe uskorenie mozhet ob'yasnyat'sya oslablennoi formoi teh chudovishnyh sil, kotorye razbrosali materiyu v Bol'shom vzryve. Po sushestvu, eto zamena odnogo neizvestnogo yavleniya drugim, eshe bolee neizvestnym, ili, mozhet byt', prosto zamena nazvaniya. Neizvestno dazhe, tot li vakuum segodnya pravit vo Vselennoi, chto byl v moment ee rozhdeniya, i tot li eto vakuum, kotoryi v laboratoriyah shturmuyut fiziki. Uchenye razmyshlyayut, szhimaema li temnaya energiya i ne izmenyalis' li ee svoistva vo vremeni. Teoreticheskie issledovaniya ukazyvayut na sovershenno fantasticheskoe, s tochki zreniya zdravogo smysla, svoistvo vakuuma: on dolzhen imet' otricatel'noe davlenie, prichem plotnost' ego energii pri rasshirenii ostaetsya, kak ni stranno, postoyannoi, v to vremya kak v gazovoi srede davlenie polozhitel'no i padaet s rasshireniem. Interesno sravnit' plotnosti energii vakuuma i temnoi materii. Na tot zhe mezhgalakticheskii kub so storonoi 170 000 km, s 1 g obychnogo veshestva i 10 g temnoi massy, prihoditsya 25 g temnoi energii, esli vyrazit' ee kak plotnost' massy. Ris. 8 illyustriruet, iz chego sostoit Vselennaya. Vakuum yavlyaetsya samoi plotnoi sredoi. No v otlichie ot temnoi i svetyasheisya materii, raspredelenie kotoryh neodnorodno, plotnost' vakuuma absolyutno odinakova vo vsei Vselennoi. Sredi drugih paradoksal'nyh svoistv vakuuma - ego plotnost' i davlenie neizmenny, nesmotrya na rasshirenie Vselennoi, kotoroe on i vyzyvaet, sam ostavayas' neizmennym. Na vakuum nigde i nichto ne vliyaet. V otlichie ot reliktovogo izlucheniya, dvizhenie otnositel'no vakuuma ne obnaruzhivaetsya. Vakuum vsegda poputnyi, kak bylo pokazano v znamenitom eksperimente Al'berta Maikel'sona eshe v 1881 godu.
Sud'ba nashei Vselennoi, scenarii dal'neishih v nei sobytii teper' polnost'yu opredelyayutsya temnoi energiei, esli ee svoistva vo vremeni ostayutsya neizmennymi. Vsemirnoe tyagotenie v mezhgalakticheskih masshtabah svoe otygralo i bol'she ne vernetsya. Teoretiki rassmatrivayut uravnenie sostoyaniya temnoi energii pri raznyh ee plotnosti i davlenii. Esli ee svoistva neizmenny, uravnenie sostoyaniya w priravnivaetsya k -1. Nekotorye povoroty teorii dopuskayut predely w ot 0 do -1, a nablyudeniya sverhnovyh ukazyvayut na velichinu, blizkuyu k -1. Znacheniya bo'l'shie po absolyutnoi velichine, skazhem -1,1, privodyat k poyavleniyu beskonechnostei i logicheskih bessmyslennostei. Vryad li eto smushaet prirodu, no teoretikov stavit v tupik.
V obzornoi stat'e v upominavshemsya vypuske zhurnala "Science" gryadushie sobytiya opisyvalis' ves'ma dramatichno, sleduyushim scenariem dal'neishei evolyucii Vselennoi. Antigravitaciya so vremenem vse narastaet. Cherez neskol'ko milliardov let ona pristupaet k "Bol'shomu vsparyvaniyu" tkani Vselennoi. Snachala razrushayutsya skopleniya galaktik, i pod deistviem temnoi energii oni "vystrelivayutsya" iz skoplenii. V optimisticheskom variante eto proishodit primerno cherez 10 milliardov let (tak chto vremya u nas eshe est'). Spustya neskol'ko soten millionov let posle etogo nasha i drugie galaktiki razletayutsya na kuski. Dalee sobytiya vse uskoryayutsya. Raspadayutsya planetnye sistemy, planety teryayut svyaz' s Solncem. Razrushayutsya zvezdy i planety. Himicheskie soedineniya raspadayutsya na atomy, no i atomy teryayut stabil'nost': yadra ne mogut uderzhat' elektrony. Pod deistviem kolossal'nyh davlenii "vsparyvayutsya" protony i neitrony Primerno takie strasti zvuchali i v nekotoryh nauchno-populyarnyh stat'yah i vystupleniyah, chto vyzvalo u fizikov-kosmologov, kak bylo prinyato pisat' nedavno, "gnevnoe negodovanie". V ih bolee real'nom scenarii antigravitaciya malo chto menyaet v uzhe sushestvuyushih galaktikah, a tem bolee v Solnechnoi i drugih planetnyh sistemah. Ot antigravitacii oni zashisheny svoei massoi. Proishodit zhe sleduyushee: antigravitaciya deistvitel'no narastaet, chto privodit ko vse uskoryayushemu sya vzaimnomu udaleniyu galaktik i postepennomu uhodu ih za gorizont Vselennoi. V etom smysle prostranstvo stanovitsya vse bolee i bolee pustym. Galaktiki na nebe togo dalekogo vremeni astronomy budut schitat' po pal'cam. No otbirat' u nas Solnce (kotoromu, kstati, do etoi pory vse ravno ne dozhit') nikto ne sobiraetsya. Takov scenarii "Bol'shogo vsparyvaniya" ishodya iz togo, chto o svoistvah temnoi energii izvestno segodnya. No okonchatel'nyi li eto scenarii?
On schital lyambda-chlen samoi bol'shoi svoei oshibkoi
Mozhno skazat', chto Vselennoi pravit energiya pustoty, kotoraya voshla v kosmologiyu pod maskoi lyambda-chlena. Kosmologicheskaya postoyannaya Einshteina vovse ne byla "samoi bol'shoi ego oshibkoi", kak on govoril Gamovu. I vse-taki ee sovremennyi smysl stal inym. U Einshteina uravnenie gravitacionnogo polya svyazyvalo tenzor krivizny prostranstva s raspredeleniem v nem energii i materii cherez gravitacionnuyu postoyannuyu N'yutona. Lyambda-chlen on pomestil sleva, kak svoistva prostranstva. Teper' fiziki perenesli ego vpravo. Zdes' vakuum deistvuet naravne s raspredeleniem energii i materii i predstavlyaet novuyu formu plotnosti energii, mnogokratno prevoshodyashuyu vse, chto do sih por bylo znakomo fizike. Antityagotenie prevyshaet tyagotenie. Rezul'tiruyushaya gravitaciya - eto ottalkivanie, a ne prityazhenie. Lyambda-chlen opredelyaet zakon vsemirnogo antityagoteniya i uskoryayusheesya rasshirenie Vselennoi. Ostaetsya dobavit', chto, esli by Einshtein ne sozdal lyambda-chlen, on vse ravno poyavilsya by v nashi dni.
O chem v nastoyashei stat'e rasskazano ne budet, tak eto ob uzhe sozdannyh i sozdavaemyh novyh gipotezah o prirode temnoi energii. Fiziki pytayutsya postroit' ih kak na klassicheskih nachalah, tak i na dal'neishem razvitii principov kvantovoi mehaniki. Prichem s uchetom plankovskih kvantov vremeni i prostranstva, sushestvuyushih, po-vidimomu, real'no. Dlina plankovskogo kvanta prostranstva v santimetrah ravna 32 nulyam posle zapyatoi pered edinicei, a kvanta vremeni, v sekundah, - 42 nulyam posle zapyatoi pered edinicei. Ni vremeni, ni dlin koroche ih v prirode ne byvaet, chto ob'yasnyaet, naprimer, paradoks beskonechnoi plotnosti v singulyarnosti. Do Bol'shogo vzryva plotnost' v nei mogla byt' gigantskoi, no ne beskonechnoi, a singulyarnost' ne mogla byt' men'she kvanta ob'ema (v kubicheskih santimetrah - 98 nulei posle zapyatoi). Sobytiya ne mogli byt' koroche kvanta vremeni. Starayas' ob'edinit' principy obshei teorii otnositel'nosti i kvantovoi mehaniki, fiziki razrabotali teoriyu strun i teoriyu petlevoi kvantovoi gravitacii, konkuriruyushie v ob'yasnenii ustroistva mira. Naidet li priroda temnoi energii svoe ob'yasnenie v kvantovoi teorii ili zhe v terminah klassicheskoi fiziki, kak eto staralsya sdelat' Einshtein, pokazhet vremya.
Temnaya epoha
Kak ni udivitel'no, vskore posle Bol'shogo vzryva, cherez polmilliona let, nachalas' epoha, kogda vo Vselennoi bylo sovershenno temno, pusto i holodno. Temnaya epoha prodolzhalas' primerno 250 millionov let. Vo Vselennoi ne bylo ni odnoi zvezdy, ni odnoi galaktiki. Esli v nachale Temnoi epohi glaz cheloveka eshe mog by zametit' tusklo-krasnoe ravnomernoe svechenie neba, to teper' temnota stala vezdesushei. Prostranstvo bylo zapolneno glavnym obrazom temnoi materiei i reliktovym izlucheniem, kotoroe togda bylo bolee korotkovolnovym (infrakrasnym), sootvetstvovalo primerno 150 K (-120oS) i prodolzhalo ostyvat' po mere rasshireniya prostranstva. Barionnaya materiya sostavlyala 1/10 temnoi i sostoyala iz atomov vodoroda i geliya v proporcii 4:1 po masse. Temnaya energiya prakticheski nikakoi roli ne igrala. Sobytiya Temnoi epohi ustanovleny s pomosh'yu raschetnyh modelei, potomu chto nichego, krome reliktovogo izlucheniya, ottuda do nas ne doshlo. No modeli dostatochno nadezhny; imenno modeli dayut predstavlenie o prirode Temnoi epohi. Kogda svyaz' reliktovogo izlucheniya s veshestvom razorvalas' i izluchenie stalo samostoyatel'nym yavleniem, krasnoe smeshenie z sostavlyalo ogromnuyu velichinu, z = 1200 (ris. 9). Eto sootvetstvuet uzhe upominavshemusya vozrastu 400 tysyach let. Pri z = 1100 temperatura snizilas' do 3000 K, proizoshla rekombinaciya plazmy, i chasticy ob'edinilis' v atomy. Na etom, pohozhe, burnye sobytiya zakonchilis', i nastupila Temnaya epoha. Do obrazovaniya pervyh zvezd ostavalos', po raznym modelyam, 200-400 millionov let dovol'no skuchnogo vremeni, kogda uzhe ne bylo nikakih kriticheskih processov. Glavnoe, chto proishodilo, - dal'neishee ponizhenie temperatury. I prichina, po kotoroi zaderzhivalos' zvezdoobrazovanie, dazhe ne v tom, chto raspredelenie veshestva bylo prakticheski odnorodnym, a eto prepyatstvovalo vozniknoveniyu kondensacii. Eksperiment na sputnike WMAP pokazal, chto, hotya obrazovanie zvezd ostavalos' kraine maloveroyatnym, ochen' nebol'shie i kraine maloveroyatnye neodnorodnosti temnoi massy vse zhe sushestvovali (ris. 5). No kogda krasnoe smeshenie z dostiglo primerno 6 (a vozrast Vselennoi primerno odnogo milliarda let), beschislennye galaktiki zapolnili prostranstvo. Pervye zvezdy, kotorye byli ogromnymi i ochen' yarkimi, opredelili vsyu dal'neishuyu istoriyu Vselennoi. Chego zhe oni zhdali, chto do togo zaderzhivalo zvezdoobrazovanie? Okazyvaetsya, zapret sozdaval sam mehanizm obrazovaniya zvezd.
Pervye zvezdy
Process vozniknoveniya pervyh zvezd bolee prostoi, chem process obrazovaniya zvezd sovremennogo tipa, blagodarya himicheskoi chistote ishodnogo materiala - smesi vodorod-gelii. Gaz atomarnogo sostava byl peremeshan s temnoi massoi. On nachinal szhimat'sya, sleduya deistviyu gravitacionnyh sil kondensacii temnoi materii. Formirovanie zvezdy zavisit ot temperatury sredy, massy kondensiruyushegosya gazovogo obrazovaniya i nalichiya v nem molekulyarnogo vodoroda, kotoryi obladaet sposobnost'yu otvodit' iz kondensacii teplo, izluchaya ego v okruzhayushee prostranstvo. Molekulyarnyi vodorod ne mozhet vozniknut' iz atomarnogo pri sluchainyh stolknoveniyah atomov, dlya ego obrazovaniya u prirody pripasen dovol'no slozhnyi process. Poetomu pri z > 15-20 vodorod ostavalsya v osnovnom v atomarnoi faze. Pri szhatii temperatura gaza v kondensacii povyshaetsya do 1000 K i bolee i dolya molekulyarnogo vodoroda neskol'ko uvelichivaetsya. Pri takoi temperature dal'neishaya kondensaciya nevozmozhna. No blagodarya molekulyarnomu vodorodu temperatura v naibolee plotnoi chasti kondensacii snizhaetsya do 200-300 K i szhatie prodolzhaetsya, preodolevaya davlenie gaza. Postepenno obychnaya materiya otdelyaetsya ot temnoi i koncentriruetsya v centre. Minimal'naya massa gazovoi kondensacii, neobhodimaya dlya obrazovaniya zvezdy, massa Dzhinsa, opredelyaetsya stepennoi zavisimost'yu ot temperatury gaza, poetomu pervye zvezdy imeli massu v 500-1000 raz bol'shuyu, chem Solnce. V sovremennoi Vselennoi pri obrazovanii zvezd temperatura v plotnoi chasti kondensacii mozhet byt' vsego 10 K, potomu chto, vo-pervyh, funkcii teplootvoda bolee uspeshno vypolnyayut poyavivshiesya tyazhelye elementy i chasticy pyli, vo-vtoryh, temperatura okruzhayushei sredy (reliktovogo izlucheniya) sostavlyaet vsego 2,7 K, a ne pochti 100 K, kak eto bylo v konce Temnoi epohi. Vtoroi kriterii massy Dzhinsa - davlenie (tochnee, kvadratnyi koren' iz davleniya). V Temnuyu epohu etot parametr byl primerno takim zhe, kak teper'.
Obrazovavshiesya pervye zvezdy byli ne tol'ko ogromnymi, v 4-14 raz bol'she Solnca (ris. 10), no i ochen' goryachimi. Solnce izluchaet svet s temperaturoi 5780 K. U pervyh zvezd temperatura sostavlyala 100 000-110 000 K, a izluchaemaya energiya prevoshodila solnechnuyu v milliony i desyatki millionov raz. Solnce nazyvayut zheltoi zvezdoi; eti zhe zvezdy byli ul'trafioletovymi. Sgorali i razrushalis' oni vsego za neskol'ko millionov let, no uspevali vypolnit' po krainei mere dve funkcii, opredelivshie svoistva posleduyushego mira. V rezul'tate reakcii sinteza proishodilo nekotoroe obogashenie ih nedr "metallami" (tak astronomy nazyvayut vse elementy tyazhelee vodoroda). Istekayushii s nih "zvezdnyi veter" obogashal metallami mezhzvezdnuyu sredu, oblegchaya formirovanie posleduyushih pokolenii zvezd. Glavnym zhe istochnikom metallov byli vzryvy nekotoryh zvezd v kachestve sverhnovyh. Naibolee massivnaya chast' pervyh zvezd v konce svoego zhiznennogo puti, po-vidimomu, obrazovala chernye dyry. Moshnoe ul'trafioletovoe izluchenie gigantskih zvezd vyzvalo bystro razvivayushiesya razogrev i ionizaciyu mezhzvezdnogo i mezhgalakticheskogo gaza. Eto byla vtoraya ih funkciya. Takoi process nazyvayut reionizaciei, potomu chto on byl obratnym rekombinacii, zavershivsheisya za 250 millionov let do etogo, pri z = 1200, kogda obrazovalis' atomy i osvobodilos' reliktovoe izluchenie. Issledovaniya dalekih kvazarov pokazyvayut, chto reionizaciya prakticheski zakonchilas' pri z = 6-6,5. Esli eti dve otmetki, z = 1200 i z = 6,5, schitat' granicami Temnoi epohi, to ona prodolzhalas' 900 millionov let (ris. 11). Sam period polnoi temnoty, do poyavleniya pervyh zvezd, dlilsya koroche, okolo 250 millionov let, prichem teoretiki schitayut, chto v nekotoryh, sovershenno isklyuchitel'nyh sluchayah otdel'nye zvezdy mogli poyavit'sya i ran'she, no veroyatnost' etogo byla ochen' nizkoi.
S obrazovaniem pervyh zvezd Temnaya epoha zakonchilas'. Gigantskie ul'trafioletovye zvezdy vhodili v protogalaktiki, obrazovannye, glavnym obrazom, temnoi materiei. Razmery protogalaktik byli nebol'shimi, i oni nahodilis' blizko odna k drugoi, chto vyzyvalo sil'noe prityazhenie, kotoroe ob'edinyalo ih v galaktiki, tozhe nebol'shie. Razmery pervyh galaktik sostavlyali 20-30 svetovyh let (vsego v 5 raz bol'she sovremennogo rasstoyaniya do blizhaishei zvezdy, a diametr nashei Galaktiki 100 000 svetovyh let). Bylo by interesno uvidet' eti gigantskie ul'trafioletovye zvezdy, no, nesmotrya na ih ogromnuyu yarkost', sdelat' eto ne udaetsya: oni nahodyatsya v oblasti z = 8-12, a rekordom nablyudeniya udalennyh ob'ektov poka ostaetsya kvazar pri z = 6,37. Vot esli by pridumat', kak vydelit' izluchenie, voznikshee v opredelennyi period vremeni Dopuskal zhe kolebavshiisya inogda E. Habbl, chto krasnoe smeshenie - prosto rezul'tat stareniya sveta, a ne effekt Doplera.
Zaklyuchenie
V 2005 godu ispolnyaetsya 100 let so dnya opublikovaniya Al'bertom Einshteinom ego pervoi raboty po teorii otnositel'nosti. Po mere uglubleniya eksperimental'nyh issledovanii obnaruzhivaetsya, chto mir stanovitsya vse slozhnee. Uslozhnyayutsya i poyavlyayushiesya novye teorii, sudit' o spravedlivosti kotoryh mne, eksperimentatoru, nelegko. Kakoe-to uteshenie ya nahozhu v sleduyushih slovah Einshteina: "Nikakim kolichestvom eksperimentov dokazat' teoriyu nel'zya, no dostatochno odnogo, chtoby ee oprovergnut'". Zakanchivaya etot korotkii obzor novyh otkrytii v astrofizike, ya pytayus' predstavit' sebe drugoi obzor, tot, kotoryi budet napisan cherez 100 let. Nadeyus', ego avtor tozhe budet optimistom i v zaklyuchenie privedet te zhe slova Luciya Anneya Seneki: "Priroda ne raskryvaet svoi tainy raz i navsegda".
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Kosmologiya
Publikacii so slovami: Kosmologiya | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
