Загадки темной энергии во Вселенной

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 появ¬ляются 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.