Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» - некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?

Прообраз этой заметки был недавно опубликован в научно-популярном разделе Хабра, правда под замком так что возможно не всем заинтересованным она досталась. В этом варианте сделаны довольно существенные дополнения, как что всем должно быть интересною.

История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной. Одна из них, Supernova Cosmology Project, приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team, подключилась к исследованиям в 1994-м. Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.

Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?

Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в ${{10}^{39}}$ раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.

Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.

До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Слоуновский цифровой обзор неба) — проект широкомасштабного исследования изображений и спектров звёзд и галактик, использующий 2,5-метровый широкоугольный телескоп в Обсерватория Апачи-Пойнт, Нью-Мексико.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.

Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.

 

Космическое расширение

Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.

Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра.

Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением $z=\left(\lambda_{obs}-\lambda_0\right)/\lambda_0$, где $\lambda_{obs}$ - длина света на Земле и $\lambda_{0}$-длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны $\lambda_0=121.6$ нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при $\lambda_{obs}=1337.6$ нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.

Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.

Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла $H_{0}$: ${{\rho}_{crit}}=3H_{0}^{2}/8\pi\cdot{G}$. Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.

 

Масса, энергия и кривизна пространства-времени непосредственно связаны в ОТО. Одно из объяснений, следовательно, может состоять в том, что щель между критической плотностью и наблюдаемой плотностью материи заполнена некоторой плотностью энергии, связанной с деформацией пространства на больших масштабах и наблюдаемой только на масштабах порядка $c/{{H}_{0}}\sim 4000\ Mpc$. К счастью, кривизна Вселенной может быть определена с помощью прецизионных измерений МКФ. Реликт, с происхождением 400.000 после Большого Взрыва, МКФ есть излучение абсолютно черного тела, источником которого является первичная плазма. Когда Вселенная остыла ниже $3000\ K$ плазма стала прозрачной для фотонов и они получили возможность свободно распространяться в пространстве. Сегодня почти 15 млрд лет спустя мы наблюдаем тепловой резервуар фотонов при температуре $2.726\ K$, что представляет результат красного смещения за счет космического расширения.

Замечательный образ МКФ был получен с помощью WMAP спутника, показывающий малейшие изменения фотонной температуры «неба». Эти вариации, известные как анизотропия МКФ отражают малые вариации плотности и движения ранней Вселенной. Эти вариации, которые возникают на уровне ${{10}^{-5}}$ являются зародышами крупномасштабной структуры (галактики, кластеры), которые мы наблюдаем сегодня.

Наиболее холодные/горячие пятна в космическим микроволновом фоне обязаны фотонам, которые выбрались из участков гравитационного потенциала наибольшей/наименьшей плотности. Размеры этих областей хорошо определены физикой плазмы. Когда мы рассматриваем полную Вселенную, видимый угловой размер этих анизотропий должен быть около ${{0.5}^{0}}$, если Вселенная имеет достаточную кривизну чтобы заполнить энергетическую щель и в два раза большие угловые размеры в отсутствие всякого искривления пространства. Наиболее простой способ представить в воображении этот геометрический эффект заключается в следующем: представим себе треугольник с фиксированным основанием и боковыми сторонами (просто сторонами?), нарисованный на поверхностях разной кривизны. Для cедловой поверхности/сферы внутренние углы будут меньше/больше, чем у того же треугольника, нарисованного на плоской поверхности (с эвклидовой геометрией).

С 1999 года был проведен целый ряд экспериментов (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), которые показали, что пятна МКФ имеют размеры порядка${{1}^{0}}$. Это означает, что геометрия Вселенной плоская. С точки зрения проблемы недостающей энергии это означает, что нечто другое, чем кривизна должно быть ответственно за заполнение щели. Для некоторых космологов этот результат выглядел как déjà vu. Инфляция, лучшая теория происхождения первичных флуктуаций МКФ, предполагает, что очень раняя Вселенная испытывала период ускоренного расширения, который управлялся частицей, называемой инфлатоном. Инфлатон должен был растягивать любую крупномасштабную кривизну, делая геометрию Вселенной плоской или эвклидовой. Доказательство предполагает существование формы энергии, которая препятствует кластеризации галактик, которая гравитационно отталкивательная и которая, возможно, обязана частице, отличной от инфлатона.

Космическая гармония

Данные по реликтовому излучению и сверхновым звездам данные согласованно подтвердили, что источником космического ускорения является темная энергия. Но это было только начало. Комбинируя прецизионные измерения МКФ, полеченные WMAP, с радио, оптическим и рентгеновским зондирование крупномасштабных распределений материи астрофизики получили дальнейшие доказательства убыстрения скорости расширения Вселенной. Оказалось, что гравитационные потенциальные ямы плотности и уплотнения во Вселенной были растянуты и сглажены со временем, как будто под влиянием отталкивательной гравитации. Этот эффект известен как интегральный эффект Сакса-Вольфа (Sachs-Wolfe (ISW)). Он приводит к корреляции между температурной анизотропией в реликтового излучения и крупномасштабной структуре Вселенной. Хотя первичная плазма стала прозрачной для фотонов, когда Вселенная остыла, фотоны не путешествуют беспрепятственно. Космос изрешечен неоднородностями, которые сильны на малых расстояниях (где материя кластеризуется в звезды, галактики и туманности) и постепенно ослабевает на больших масштабах длины… Во время своего полета фотоны падают в гравитационные ямы и выбираются из них.

После того как космическое излучение было впервые детектировано (около 40 лет назад) Сакс и Вольф показали, что изменяющийся во времени потенциал должен приводить к энергетическому сдвигу МКФ проходящих через него фотонов. Фотон приобретает энергию, когда падает в гравитационную яму и тратит ее, когда выбирается из нее. Если потенциал стал глубже в ходе этого процесса, то, следовательно, фотон в целом потеряет энергию. Если потенциал станет мельче, фотон приобретет энергию.

Во Вселенной, где полная критическая плотность образуется только атомами и темной материей, слабые гравитационные потенциалы на очень больших пространственных масштабах (которые соответствуют плавным (gentle) волнам плотности материи) эволюционируют слишком медленно, чтобы оставить заметные следы на МКФ фотонах. Более плотные области просто захватывают окружающее вещество с той самой скоростью, с которой космическое расширение удлиняет волы, оставляя потенциал неизменным. Однако при более быстром расширении Вселенной, обязанному темной энергии, аккреция материи не может конкурировать с растяжением. Эффективно получается, что гравитационный коллапс замедляется отталкивающей темной материей. Следовательно, гравитационный потенциал имеет тенденцию к выполаживанию и фотоны приобретают энергию при прохождении этих областей. Подобным же образом фотоны теряют энергию, проходя через области пониженной плотности. (Не тривиально!)

Отрицательное давление

Величайшая загадка космического ускорения состоит не в том, что оно предполагает, что 2/3 субстанции, заполняющей Вселенную, мы не видим, а в том, что оно навязывает существование вещества с гравитационным отталкиванием. Чтобы рассмотреть это странное свойство темной энергии полезно ввести величину $w={{p}_{dark}}/{{\rho }_{dark}}$. Это выражение напоминает уравнение состояния газа. В ОТО скорость изменения космического расширения пропорциональна $-\left( {{\rho }_{total}}+3{{p}_{total}} \right)$. Для ускоренного расширения эта величина должна быть положительной. Так как ${{\rho }_{total}}$ положительна, а среднее давление обычной и темной материи пренебрежимо мало (потому что она холодная и нерелятивистская), мы приходим к требованию $3w\times {{\rho }_{dark}}+{{\rho }_{total}}< 0$ в качестве условия ускоренного расширения. Так как ${{\rho }_{dark}}\sim 2/3{{\rho }_{total}}$ мы находим, что $w\le -1/2$. Поэтому давление темной материи не просто маленькое отрицательное, а большое отрицательное.

Почему давление влияет на расширение Вселенной? Эйнштейн показал, что материя и энергия искривляют пространство-время. Поэтому для горячего газа кинетическая энергия его атомов дает вклад в их гравитационные силы, как это было измерено с помощью измерения ускорения удаленных тел. Однако силы, которые требуются для того, чтобы удержать или изолировать газ работают против этого избыточного давления. Вселенная с другой стороны не является ни изолированной, ни ограниченной. Расширение космоса, заполненного горячим газом, эффективно будет происходить медленнее (за счет самогравитации), чем расширение Вселенной, заполненной холодным газом. По этой же логике, среда с таким отрицательным давлением, что ${{\rho }_{total}}+3p < 0 $ будет расширяться быстрее, расталкиваемая собственной антигравитацией.

Отрицательное давление не такое редкое явление. Давление воды в некоторых высоких деревьях становится отрицательным по мере того как питание поднимается по их сосудистой системе. В однородном электрическом или магнитном поле также можно найти конфигурации обладающие отрицательным давлением. В этих случаях давление есть нечто похожее на растянутую пружину под напряжением, вызванном внутренними силами. На микроскопическом уровне резервуар хиггсовских бозонов (гипотетических частиц, генерирующих массу частиц в Стандартной Модели) создает отрицательное давление, когда его тепловые или кинетические возбуждения малы. Действительно, инфлатон можно рассматриватькак тяжелую версию хиггсовского бозона. Одна из предложенных версий темной энергии – квинтэссенция – может быть даже более легкой версией хиггсов.

В принципе, не существует нижней границы давления во Вселенной. Хотя странные вещи происходят, если $w$ опускается до значения меньше, чем $-1.$ Изолированные куски такого материала могут иметь отрицательную массу. …..Но одна вещь очевидна. Такое сильное отрицательное давление не имеет места для нормальных частиц и полей в ОТО. Многочисленные наблюдения приводят к более узкому диапазону параметров темной энергии, чем те, которые следуют из приведенных выше общих рассуждений.

Комбинация предсказаний различных теоретических моделей и лучших наблюдений реликтового излучения, крупномасштабных структур и сверхновых звезд приводят к $$\Omega_{dark}= 0.728^{+0.015}_{-0.016}$$ $$w= -0.980\pm0.053 $$

Краткая история темной энергии

Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел космологическую постоянную в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать $\Lambda$. Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.

В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили $\Lambda$ в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное $\Lambda$. Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.

В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице – инфлатону . Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много парадоксов в модели Большого Взрыва. К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.

 

Темная энергия и будущее Вселенной

С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.

Поскольку мы эти свойства знаем сейчас плохо, предсказать будущее мы пока не можем. Можно только рассмотреть разные варианты. Про то, что происходит в теориях с новой гравитацией, сказать трудно, но другие сценарии есть возможность обсудить уже сейчас. Если темная энергия постоянна во времени, как в случае энергии вакуума, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение. Большинство галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша Галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте. Если темная энергия — квинтэссенция, то в далеком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием. В последнем случае Вселенная вернется в состояние с горячей и плотной материей, произойдет "Большой взрыв наоборот", назад во времени.

Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.

Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия — фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.

Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение — рост плотности энергии со временем — сопровождается неустойчивостями фантомного поля . В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет.

Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее — а может быть, и повлиять на него.

Комментарии (15):

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.