Невидима рука Всесвіту

Темна енергія не лише прискорює розширення Всесвіту, а й визначає форму галактик та їхній розподіл у просторі. У 1998 р. сталося одне з найвидатніших космологічних відкриттів XX ст.: астрономи дійшли висновку про існування невідомої форми енергії, яка постійно діє й керує долею космосу, але залишалася невідомою, — так званої темної енергії. Вона становить більшу частину Всесвіту, і якщо це твердження витримає перевірку часом, то недалекий той день, коли стане можливою поява нових фізичних теорій.

Хоча темну енергію виявили на підставі її впливу на Всесвіт загалом, вона також може визначати еволюцію окремих космічних мешканців — зір, галактик та їхніх скупчень.

За іронією долі всеосяжний характер темної енергії якраз і робить її важкою для виявлення. На відміну від звичайної речовини вона рівномірно розподілена всюди й незалежно від місця має ту саму густину, близько 10^-26 кг/м³, що еквівалентно кільком атомам водню на кубометр. Уся темна енергія в межах Сонячної системи за масою дорівнює одному маленькому астероїду, тому в житті планет її роль мізерна. Її вплив стає помітним лише на великих відстанях і протягом тривалого часу.

Ще Едвін Габбл установив, що всі галактики, крім найближчих, віддаляються від нас. Швидкість їхнього віддалення пропорційна відстані: що вона більша, то швидше галактика «тікає». Це означає, що розбігаються не самі галактики, а їх несе простір Всесвіту, який розширюється (див.: Дэвис Т. и Линевивер Ч. Парадоксы Большого взрыва // ВМН, № 6, 2005). Протягом кількох десятиліть астрономи намагалися відповісти на запитання: як із часом змінюється швидкість розширення? Вважалося, що вона має знижуватися, оскільки гравітаційне притягання галактик одна до одної протидіє розширенню.

Першу чітку вказівку на зміну швидкості розширення отримали під час спостережень далеких наднових. Ці масивні зорі, що вибухають, використовують як показник космічного розширення, подібно до того, як, стежачи за лісом, який сплавляють, вимірюють швидкість течії річки. Спостереження наднових показали, що в минулому розширення відбувалося повільніше, ніж сьогодні, а отже, воно прискорюється. Точніше кажучи, спочатку воно сповільнювалося, але в певний момент усе змінилося й воно почало набирати швидкість (див.: Рисс А. и Тернер М. От замедления к ускорению // ВМН, № 5, 2004). Цей результат згодом підтвердили незалежні спостереження реліктового випромінювання, наприклад, за допомогою космічної обсерваторії WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

У міжгалактичних масштабах діють інші закони гравітації, ніж на менших відстанях, і тому притягання галактик не може стримати розширення. Згідно з популярною гіпотезою, закони гравітації всюди однакові, однак раніше невідома форма енергії протидіє їй і, долаючи взаємне притягання галактик, змушує їх розбігатися дедалі швидше. Хоча темна енергія практично не відчувається в нашій Галактиці, вона стає найпотужнішою космічною силою.

Космічний скульптор

Вивчаючи нове явище, астрономи виявили, що темна енергія не лише визначає швидкість розширення Всесвіту, а й має довготривалі наслідки на менших відстанях. Переходячи від масштабів усього Всесвіту до окремих його частин, ви насамперед помічаєте, що речовина розподілена у вигляді павутини — тонких ниток завдовжки в десятки мільйонів світлових років, розділених порожнинами такого самого масштабу. Моделювання показує: щоб виникла така картина, потрібні як речовина, так і темна енергія.

У цьому немає нічого дивного. Нитки й порожнини не є зв’язаними тілами, такими як, наприклад, планети. Вони не відокремлені від загального космічного розширення й не мають внутрішньої рівноваги сил. Це просто особливості розподілу речовини, які виникли в боротьбі космічного розширення з її гравітацією. У нашому Всесвіті жоден з учасників цієї боротьби не став переможцем. Якби темна енергія, що сприяє розширенню, була потужнішою, розширення «взяло б гору», а речовина розсіялася б і не зосередилася в нитках. А якби темна енергія була слабшою, речовина ущільнилася б більше, ніж зараз.

Темна енергія може бути головною сполучною ланкою між різними теоріями формування галактик, які раніше вважали незалежними

Ситуація ускладнюється, коли ми переходимо до масштабів окремих галактик та їхніх скупчень. Галактики, зокрема й наша, не розширюються. Їхній розмір визначається рівновагою між гравітацією та орбітальним рухом зір, газу й іншої речовини, з якої вони складаються. Галактики зростають лише завдяки акреції речовини з міжгалактичного простору та поглинанню інших галактик. Космічне розширення не має на них помітного впливу. Отже, темна енергія навряд чи розповість нам про те, як вони сформувалися. Те саме стосується і їхніх скупчень — найбільших зв’язаних об’єктів у Всесвіті, занурених у величезну хмару гарячого газу та утримуваних гравітацією.

Схоже, темна енергія може бути головною сполучною ланкою між різними теоріями формування галактик та їхніх скупчень, які ще недавно здавалися незалежними. На це вказує те, що еволюція таких систем частково зумовлена взаємодією і злиттям галактик, на які темна енергія може істотно впливати.

Сучасні теорії виходять із того, що речовина буває двох типів. Перший із них — звичайна речовина, частинки якої охоче взаємодіють одна з одною, а якщо мають електричний заряд — то й з електромагнітним випромінюванням. Астрономи називають таку речовину «баріонною», оскільки її основна складова — баріони, тобто протони й нейтрони. Другий тип — темна матерія (не плутати з темною енергією), якої дуже багато. Вона становить 85% усієї речовини, а її характерна особливість полягає в тому, що її частинки не взаємодіють із випромінюванням. У гравітаційному сенсі темна речовина нічим не відрізняється від звичайної баріонної.

Згідно з моделями, відразу після Великого вибуху темна речовина почала збиратися у сферичні згущення, які астрономи називають «гало». Баріони ж, навпаки, спочатку не згущувалися: взаємодіючи між собою та з випромінюванням, вони залишалися в гарячій газоподібній фазі. З розширенням Всесвіту цей газ остигав, і баріони також отримали змогу згущуватися. Перші зорі й галактики сформувалися з охолодженого газу через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху — і не у випадкових місцях, а в центрах гало з темної матерії, які на той час уже існували.

Починаючи з 1980-х рр. теоретики створили докладні комп’ютерні моделі цього процесу. Наприклад, групи Саймона Вайта (Simon D. M. White) з Інституту астрофізики імені Макса Планка в Гархінгу (Німеччина) та Карлоса Френка (Carlos S. Frenk) із Даремського університету в Англії показали, що першими структурами переважно були невеликі маломасивні гало з темної матерії. А оскільки ранній Всесвіт був дуже щільним, ці маломасивні гало (та галактики в них) зливалися, утворюючи системи більшої маси. Тому формування галактик було процесом нарощування, подібним до будівництва будиночка з кубиків конструктора «Лего». Ми спробували перевірити моделі, спостерігаючи, як далекі галактики зливаються протягом космічного часу.

Формування галактик згасає

Комп’ютерне моделювання показує, що під час злиття галактик одна з одною їхня форма істотно спотворюється. Найраніші з них ми зараз спостерігаємо такими, якими вони були за віку Всесвіту близько мільярда років. Але з плином часу злиття великих галактик відбувається дедалі рідше. Протягом першої половини космічної історії (від 2 до 6 млрд. років після Великого вибуху) частка масивних галактик, що зливаються, зменшилася з половини практично до нуля. Відтоді розподіл галактик за формами майже не змінився, а отже, зіткнення й злиття стали рідкісним явищем.

У сучасному Всесвіті 98% масивних галактик — або спіральні, або еліптичні. А якби відбувалися злиття, їхня форма була б порушена. До того ж вони складаються переважно зі старих зір, а це свідчить про те, що сформувалися вони давно й відтоді не змінюють своїх правильних обрисів.

Коли Всесвіт був удвічі молодший, злиття галактик припинилися й чорні діри заспокоїлися

Коли закінчилася перша половина історії Всесвіту, сповільнилося не лише злиття галактик, а й формування зір, більшість яких народилася на зорі світобудови. Це помітили ще в 1990-ті рр. групи Саймона Ліллі (Simon J. Lilly) з Університету Торонто, П’єро Мадау (Piero Madau) з Інституту космічного телескопа та Чарлза Стайдела (Charles C. Steidel) з Каліфорнійського технологічного інституту. Згодом з’ясувалося, що зореутворення в масивних галактиках припинилося дуже рано. У другій половині історії Всесвіту лише в маломасивних системах формування зір тривало з помітною швидкістю. Таку зміну місць зореутворення називають «здрібненням галактик» (див.: Баджер Э. Космос: кризис среднего возраста // ВМН, № 4, 2005). Усе це виглядає парадоксально. Згідно з теорією формування галактик, спочатку мають народжуватися невеликі галактики, а при їхньому злитті — виникати більші. Але історія формування зір показує протилежне: спочатку світила народжувалися лише в масивних галактиках, а потім ініціатива перейшла до їхніх невеликих побратимів.

Ще одна загадка полягає в тому, що формування надмасивних чорних дір у центрах галактик істотно сповільнилося. Саме вони є джерелом енергії квазарів та інших типів активних галактик, які в сучасну епоху трапляються рідко. У нашій і сусідніх галактиках чорні діри поводяться спокійно. Як ці зміни співвідносяться з еволюцією галактик? Не виключено, що головну роль тут відіграє темна енергія.

У лещатах темної енергії

Деякі астрономи вважають, що внутрішні процеси в галактиках, такі як виділення енергії чорними дірами й надновими, загальмували їхню еволюцію та народження в них зір. Однак темна енергія виглядає фундаментальнішою силою, здатною пов’язати ці явища. Основний аргумент на користь цього твердження — приблизний збіг у часі завершення формування галактик та їхніх скупчень із початком домінування темної енергії, що сталося, коли Всесвіт досяг «середнього» віку.

До того часу густина речовини була настільки високою, що взаємне притягання галактик переважало над впливом темної енергії. Галактики зустрічалися одна з одною й часто зливалися. Коли газові хмари зіштовхувалися всередині галактик, народжувалися зорі, а коли газ спрямовувався до центра зоряних систем, зростали чорні діри. Але простір розширювався, речовина розріджувалася, а її гравітація слабшала, тоді як потужність темної енергії не змінювалася. З часом баланс сил змінився, і сповільнене розширення змінилося прискореним. Структури, у яких існували галактики, розривалися на частини, що призводило до поступового зниження частоти злиттів галактик. Міжгалактичний газ дедалі менш охоче падав у галактики, а чорні діри, позбавлені їжі, ставали спокійнішими.

Імовірно, описані події й призвели до здрібнення популяції галактик. Наймасивніші гало з темної матерії та розміщені в них галактики розташовані найближче до центрів скупчень. Вони існують по сусідству з іншими масивними гало, тому й зіштовхуватися між собою почали раніше, ніж маломасивні системи. При цьому в них відбувається спалах зореутворення. Новонароджені зорі яскраво світять, а потім вибухають, розігріваючи газ і не даючи йому стискатися в нові світила. Так зореутворення пригнічує саме себе: зорі розігрівають газ, із якого вони формуються, і тим самим запобігають народженню нових. Чорна діра в центрі такої галактики діє як ще один пригнічувач зореутворення. Злиття галактик живить чорні діри газом, змушуючи їх викидати газові струмені (джети), які нагрівають навколишній газ, не даючи йому остигати та стискатися в нові зорі.

Якщо в масивній галактиці припинилося зореутворення, то, найімовірніше, воно вже не відновиться: газ у таких системах або вже вичерпався, або став настільки гарячим, що не може швидко охолонути. Масивні галактики можуть продовжувати об’єднуватися, але зореутворення в них буде дуже слабким через дефіцит холодного газу. Поки активність масивних галактик слабшає, менш масивні продовжують зливатися й породжувати зорі. У результаті більші галактики набувають своєї форми раніше за менші, що й підтверджується спостереженнями. Можливо, темна енергія керує цим процесом, визначаючи темп об’єднання галактик у скупчення та частоту їхніх злиттів. Вона ж контролює еволюцію скупчень галактик.

Далекі скупчення, які ми спостерігаємо в ту епоху, коли Всесвіт був удвічі молодшим, уже були такими самими масивними, як сучасні, і за останні 6–8 млрд. років істотно не зросли. Це вказує на те, що злиття галактик у скупчення припинилося в ті часи (виразна ознака впливу темної енергії на великомасштабну взаємодію галактик). У середині 1990-х рр. астрономи встановили, що скупчення галактик не зростають останні 8 млрд. років, і це пояснювали меншою, ніж передбачає теорія, густиною речовини. Виявлення темної енергії усунуло суперечність між теорією та спостереженнями.

Простір порожніє, перетворюючи нашу Галактику та її найближчих сусідів на самотній острів

Ще кілька років тому дослідники вважали, що сусідні з нами галактики, відомі як Місцева група, тобто Чумацький Шлях і його найближча сусідка Туманність Андромеди з усіма своїми супутниками, мають упасти на сусіднє скупчення в Діві (Virgo). Але зараз видається, що нам вдасться уникнути такої долі й наша планета не стане частиною великого скупчення галактик. Річ у тім, що темна енергія збільшує відстань між Землею та скупченням у Діві швидше, ніж Місцева група рухається туди.

Перешкоджаючи еволюції скупчень, темна енергія контролює й морфологічний склад галактик. У скупченнях є всі умови для формування різних типів галактик, таких як лінзоподібні, гігантські еліптичні та карликові еліптичні галактики. Регулюючи їхню здатність об’єднуватися в скупчення, темна енергія визначає відносну кількість різних їхніх типів.

Злиття галактик, активність чорних дір і зореутворення з часом слабшають, і, можливо, ці процеси взаємопов’язані. Огляди, які проводять телескоп «Габбл», рентгенівський телескоп «Чандра» та потужні наземні телескопи, дають зображення і спектри, що дозволять найближчими роками простежити весь ланцюг подій. Один із важливих напрямів цієї роботи — перепис далеких активних галактик і визначення часу їхнього останнього злиття. Такий аналіз може потребувати розроблення нових теоретичних підходів, що й планують здійснити найближчими роками.

Порушення балансу

Всесвіт, що розширюється з прискоренням і в якому домінує темна енергія, дає змогу найкраще пояснити спостережувані зміни у світі галактик, а саме припинення їхніх злиттів і спричинених ними наслідків, таких як згасання активного зореутворення та морфологічна еволюція галактик. Якби темної енергії не існувало, то злиття галактик тривали б довше, і Всесвіт тепер містив би більше масивних галактик зі старим зоряним населенням. Крім того, було б менше маломасивних систем, а спіральні галактики, подібні до нашої, були б дуже рідкісними (спіралі не витримують злиттів). Великомасштабні системи галактик були б щільнішими, а їхні злиття відбувалися б частіше.

Якби темна енергія була потужнішою, то у Всесвіті було б набагато менше злиттів, а галактики та їхні скупчення стали б менш масивними. Збільшилася б кількість спіральних і маломасивних карликових неправильних галактик, оскільки злиття відбувалися б рідко. А скупчення галактик стали б значно менш масивними, а може, й не існували б зовсім. Імовірно, зорі народжувалися б дуже рідко, і більша частина баріонної маси в нашому Всесвіті все ще перебувала б у газоподібному стані.

Проте еволюція галактик має безпосередній стосунок до нашого існування. У зорях народжуються хімічні елементи, важчі за літій, необхідні для формування планет земного типу та зародження на них життя. Слабке зореутворення може означати, що ці елементи не з’являться в достатній кількості й у Всесвіті буде мало планет, отже, життя може не виникнути. Тож темна енергія могла справити вирішальний вплив на багато на перший погляд не пов’язаних між собою властивостей Всесвіту і, можливо, навіть на історію нашої планети.

Темна енергія ще не завершила своєї роботи. З одного боку, вона корисна, оскільки має запобігти стисненню Всесвіту, якого ще недавно побоювалися астрономи. Але темна енергія несе й певну небезпеку. Найбезневинніше — вона розштовхує галактики, які розбігаються дедалі швидше, так що з часом ми втратимо їх із виду. Простір порожніє, перетворюючи нашу галактику та її сусідів на ізольований острів. Скупчення галактик, галактики й навіть зорі розходяться в міжгалактичному просторі, поступово зменшуючи сферу свого гравітаційного впливу, доводячи її до власних розмірів.

Деякі моделі передбачають, що темна енергія зможе еволюціонувати, що з часом вона домінуватиме дедалі сильніше і почне розривати на шматки гравітаційно зв’язані об’єкти, такі як скупчення галактик і окремі галактики. Зрештою Земля буде відірвана від Сонця й розпорошена в просторі разом з усім, що на ній міститься. Будуть зруйновані навіть атоми. Темна енергія, яка довго перебувала в тіні матерії, може жорстоко помститися.

Переклад: В.Г. Сурдін

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• A Direct Measurement of Major Galaxy Mergers at z < 3. Christopher J. Conselice, Matthew A. Bershady, Mark Dickinson and Casey Papovich в Astronomical Journal, т. 126, № 3, с. 1183–1207; вересень 2003. www.arxiv.org/abs/astro-ph/0306106
• Dark Energy. Robert R. Caldwell в Physics World, т. 17, №5, с. 37–42; травень 2004. http://physicsweb.org/articles/world/17/5/7
• The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Cosmos. Robert P. Kirshner. Princeton University Press, 2004.
• The Infinite Cosmos: Questions from the Frontiers of Cosmology. Joseph Silk. Oxford University Press, 2006. Караченцев И., Чернин А. Острова в океане темной энергии // ВМН, № 11, 2006. С. 30–35.
• Чернин А.Д. Космический вакуум // Успехи физических наук, т. 171, № 11, 2001. С. 1153–1175.

Про автора

Крістофер Конселіс (Christopher Conselice) — викладач Ноттінгемського університету в Англії, куди він нещодавно перейшов із Каліфорнійського технологічного інституту, фахівець із формування галактик, керує кількома спостережними програмами в оптичному та інфрачервоному діапазонах на наземних і космічних телескопах.

В мире науки, №6 2007

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.