Темная энергия отпружинила

В самом конце прошлого столетия в космологии – науке о Вселенной в целом – произошла настоящая революция, равной которой не было, наверное, с 1920-х годов. 80 лет назад, вскоре после создания Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, петербуржский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что наш мир должен быть нестационарным. Поначалу все, в том числе и Эйнштейн, подумали, что в расчетах должна быть ошибка, но вскоре астроном Эдвин Хаббл и его сотрудники доказали, что Вселенная и вправду расширяется.

В 1998 году сразу две группы астрономов – под руководством Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта – при наблюдениях далеких взрывов сверхновых выяснили, что расширение идет с ускорением. Это стало настоящим шоком для ученых, ведь галактики притягиваются друг к другу, что неизбежно должно замедлять их движение. Ан нет – со временем скорость их разбегания увеличивается; по крайней мере, в последнее время. Представьте, что вы подбросили вверх мячик, а он, вместо того чтобы остановиться в воздухе, начал набирать скорость. Есть о чем задуматься.

Со временем, уже в XXI веке, тем же астрономам удалось показать, что когда-то давно никакого ускорения не было – галактики-мячики, удаляясь друг от друга, замедляли бег. Однако примерно 5 миллиардов лет назад на авансцену вышла незаметная прежде сила, своего рода «вселенская пружина», расталкивающая галактики в разные стороны.

Источник этого ускорения астрономы назвали темной энергией.

На самом деле, у теоретиков к тому времени уже давно пылился рецепт для описания такой силы. Еще сам Эйнштейн – после того, как осознал правоту Фридмана, но до того, как свои результаты предъявил Хаббл – ввел в свои уравнения так называемую космологическую константу, которую обозначил прописной греческой буквой Λ («Лямбда). Хотя Λ-член слегка портил изящество главного уравнения теории относительности, он позволял остановить движение галактик и добиться «вечного» стационарного состояния нашего мира. С наблюдениями Хаббла необходимость в космологической постоянной отпала, и Эйнштейн даже как-то назвал ее своей «величайшей оплошностью». После работ Перлмуттера и Шмидта «оплошность» пришлось доставать из теоретических загашников.

Темные иллюзии

Хотя космологическая постоянная очень хорошо описывает наблюдения, ученые из-за нее чувствуют себя очень некомфортно. Конкретное значение константы, которое получается из анализа данных, на многие и многие порядки величины меньше того, что должно было бы следовать из квантовой механики. Возникла даже так называемая «проблема космологической постоянной», а вскоре физики заметили и вторую несуразность – так называемую «проблему совпадения». В прошлом мы подробно писали про две эти космологические загадки (за последние 2–3 года каких-то прорывов на этом направлении не случилось).

Возможно ли, что космологическая постоянная – иллюзия? Возможно ли, что сама эйнштейновская теория неадекватно описывает мир на таких больших расстояниях?

Может быть, Шмидту и Перлмуттеру удалось нащупать границы применимости теории относительности? Или их странные результаты вызваны каким-то неучтенным эффектом?

Например, поглощением света. В конце концов, все, что показали астрономы – это что сверхновые, удаляющиеся с заданной скоростью, выглядят чуть тусклее, чем должны. Значит ли это, что расстояние до них больше? В принципе, необязательно – фотоны могли пропасть по дороге, хотя построить непротиворечивую модель такого поглощения пока не удавалось.

Несколько лет назад результаты работ по сверхновым удалось подтвердить независимым методом, по наблюдениям галактических скоплений. В этом случае ученые воспользовались не «стандартной свечей» – сверхновой типа Ia, по наблюдаемой яркости которой можно оценить расстояние до нее, а «стандартной линейкой», расстояние до которой оценивается по видимому размеру этой линейки (в качестве «линейки» выступали характерные масштабы Вселенной на ранних этапах расширения, отпечатавшиеся в распределении вещества). Такие результаты потерей фотонов уже не объяснить.

Однако и эти данные показывают лишь то, что расстояния между галактиками больше, чем должны были быть, что геометрию нашего мира в целом как будто распирает «вселенская пружина». Чтобы поверить в реальность ее существования, почувствовать ее жесткость, ее присутствие, хотелось бы увидеть, как эта пружина действует на обычное вещество.

Задержка в развитии

Разглядеть, как темная энергия расталкивает материю, удалось астрономам под руководством Алексея Вихлинина из Смитсонианского астрофизического центра в Гарварде и Института космических исследований РАН в Москве.

Ученые показали, как «вселенская пружина» мешает росту массивных галактических скоплений – крупнейших структур Вселенной, объединяющих многие тысячи галактик.

Работа принята к публикации в февральском выпуске Astrophysical Journal и доступна в коллекции электронных препринтов Корнельского университета.

Вихлинин и его коллеги проследили за ростом скоплений галактик в течение последних 7 миллиардов лет, воспользовавшись данными космической рентгеновской обсерватории Chandra. С ее помощью астрономы получили рентгеновские снимки 86 скоплений и определили их массу по характеристикам свечения горячего межгалактического газа (например, по температуре – она тем выше, чем глубже общая потенциальная яма, созданная притяжением галактик). После этого ученые сравнили, как характерные массы скоплений менялись с течением времени.

В принципе, вся история нашей Вселенной – это история иерархического роста все более крупных и все более контрастных гравитационно связанных структур. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва – это самое глубокое прошлое нашего мира, которое пока удается наблюдать, – характерные неоднородности в плотности вещества составляли лишь тысячные доли процента. С тех пор под действием силы тяжести эти неоднородности росли, и в какой-то момент появились первые обособленные сгустки материи. На них падал газ, сами сгустки сливались, образуя зародыши первых карликовых галактик. Те, в свою очередь, сливались в крупные галактики вроде Млечного пути, объединялись в группы, а затем скопления, в которых становилось все больше и больше членов.

Поэтому в среднем ближайшие к нам скопления галактик массивнее далеких: свет от последних шел миллиарды лет, а потому видим их мы молодыми, еще не захватившими соседние галактики.

Однако, как показали авторы последней работы, этот рост в последние миллиарды лет замедлился.

Сам Алексей Вихлинин, заимствуя термин из медицины, называет происходящее «задержкой развития».

Полноценно развиваться скоплениям помешала темная энергия, которая расталкивает галактики в окрестностях растущего гиганта и тем мешает ему захватывать массу. Тяготение скопления в такой ситуации чем-то напоминает неудачливого любителя пива. Представьте, что вы пришли за напитком в супермаркет, катите тележку к длинным полкам с любимым дюнкелем, а прямо перед вами товароведы сгружают бутылки на поддоны и увозят обратно на склад. И как вы ни тяните руки к пенному напитку, у профессионалов дело спорится быстрее. Обидно? Это темная энергия.

Если бы не она, из таких скоплений, что мы видим на расстояниях в 7 миллиардов световых лет, за долгие годы получились бы куда более увесистые образования, чем те, что видны на расстоянии в 2–3 миллиарда световых лет и ближе. Притом речь идет не о каких-то маленьких поправках – в моделях без темной энергии таких скоплений, которые мы считаем крупнейшими, к настоящему времени было бы в несколько раз больше.

Опять Эйнштейн и та же Λ

Особенно важно, что существование темной энергии впервые доказано способом, совершенно не зависимым от данных по сверхновым. Это подтверждает – насколько вообще возможно подтвердить правильность физической теории – применимость теории относительности на космологических масштабах.

Соавтор работы Билл Форман в ходе организованной NASA во вторник пресс-конференции вспомнил Джона Уиллера, сформулировавшего суть общей теории относительности в формуле: «Материя решает, как пространству гнуться, пространство решает, как материи двигаться».

До сих пор ученые восстанавливали свойства темной энергии (это тоже форма материи) из первой части афоризма. Вихлинин и его коллеги задействовали вторую его половину и получили тот же результат, что вовсе не было гарантировано изначально. Получись здесь противоречие, астрофизики уже наперебой предлагали бы альтернативные «обобщения» теории относительности.

Однако результаты сходятся. Объединяя все данные вместе, авторы последней работы получили наиболее точные на сегодняшний день оценки свойств темной энергии – ее плотности и величины w, соответствующей жесткости «вселенской пружины».
Плотность загадочной субстанции составляет примерно 74% плюс-минус 1% от средней плотности всего сущего, «жесткость» равна –0,99 плюс-минус 0,04.

Никаких признаков изменения плотности или жесткости в пространстве во времени ученые не заметили.

И это немного разочаровывает. Дело в том, что постоянство плотности w=–1 в точности соответствует Λ-члену, введенному в уравнения еще самим Эйнштейном. Вместе с тем, это лишь самая простая модель темной энергии, предполагающая некоторую упругость, антигравитацию самого пространства. И ее плотность – фундаментальная константа, про которую бессмысленно спрашивать, откуда она взялась и почему равна именно этому значению.

Полностью в рамках теории относительности может существовать и великое множество более сложных полей, также способных поработать в качестве вселенской пружины, но при этом имеющих какую-то физическую природу, свойства, эволюцию. Таких моделей существуют десятки, если не сотни, и некоторые из них результаты Вихлинина уже благополучно закрывают. Но если их авторам должно быть обидно, то всем остальным эйнштейновская константа обещает спокойную, хотя и скучноватую жизнь.

Темное одиночество

Уже сейчас рост галактических скоплений практически закончился – более сложные структуры, чем крупнейшие скопления наших дней, никогда уже не образуются. Например, Местная группа галактик, в которой правят бал Туманность Андромеды и наша собственная Галактика, Млечный путь, никогда не войдет в состав сверхскопления галактик в Деве, на окраинах которого мы сейчас находимся.

А вот дальнейшая судьба мира зависит от жесткости «вселенской пружины».

Если бы w была меньше –1, то плотность темной энергии с расширением бы только увеличивалась (никакое известное нам вещество такими свойствами не обладает). В результате рано или поздно отталкивание превозмогло бы притяжение любых известных нам объектов и привело бы к их разрушению – сначала галактик, потом Солнечной системы, потом наших собственных тел. Это так называемый «Большой разрыв». Представить, что это будет означать на практике, пока довольно сложно.

При жесткости, w в точности равной –1, плотность темной энергии при расширении не меняется, и если Λ-член – все-таки последнее слово в рассказе о темной энергии, то нас ждет полностью предсказуемое будущее. Млечный путь и Туманность Андромеды сольются (этот процесс уже начался), на них упадут их мелкие спутники, и мы останемся в одиночестве. Расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, и галактики Девы рано или поздно уплывут за горизонт нашего мира.

По словам Алексея Вихлинина, «через некоторое время нам нечего будет наблюдать, так что сейчас самое подходящее время заниматься космологией».

Конечно, в тех 4% отличия жесткости темной энергии от уровня космологической постоянной, что допускают результаты последних измерений, еще может обнаружиться ключ к какой-то иной, истинной природе «космической пружины». Тех миллиардов лет, в течение которых космология не закончится, для этого должно хватить.