Острови в океані темної енергії

Всесвіт — світ галактик і вакууму. Нещодавні дослідження показали, що галактики й усі тіла природи занурені в невідоме раніше космічне середовище, яке отримало назву темна енергія. На це середовище припадає приблизно 75% усієї енергії та маси Всесвіту.

Галактики — лише невелика домішка «звичайної» речовини, розкиданої згустками в космічному просторі на однорідному тлі темної енергії, тобто енергії космічного вакууму. Вона створює всесвітнє антитяжіння і змушує галактики віддалятися від нас та одна від одної зі швидкостями, що зростають із часом. Темна енергія дає про себе знати не лише на величезних космологічних відстанях, де її вперше виявили, а й поблизу нас, зовсім недалеко від Чумацького Шляху.

Галактики, скупчення, надскупчення

У 1922–1924 рр. естонський теоретик, випускник Московського університету Ернст Епік (Ernst Opik), який тоді працював у Москві, та американський астроном Едвін Габбл (Edwin Hubble) з обсерваторії Маунт-Вілсон у Каліфорнії незалежно один від одного і до того ж цілком різними шляхами довели, що знаменита туманність Андромеди перебуває поза нашою галактикою. Раніше була поширена думка, що галактика, яку видно на небі як Чумацький Шлях, і є чи не всім Всесвітом. Виявилося, що туманність Андромеди являє собою гігантську систему зір, порівнянну з нашою галактикою за розмірами й масою, а то й більшу за неї.

Невдовзі після цього Габблу та його колегам вдалося встановити природу ще двох десятків найближчих до нас туманностей, які теж виявилися зоряними системами, хоча й не такими великими, як наша галактика або туманність Андромеди. Відтоді стало зрозуміло, що Всесвіт — це не світ зір, як вважали століттями, а світ галактик.

Подальші спостереження показали, що більшість галактик зібрана в різні групи та скупчення, які налічують від кількох одиниць до сотень і тисяч зоряних систем різної маси й розмірів. Наша галактика разом із галактикою Андромеди та чотирма десятками менших галактик утворюють Місцеву групу, розташовану по сусідству зі скупченням галактик у Діві, яке разом із кількома іншими становить систему, що називається Місцевим надскупченням. Це гігантське утворення має сплющену форму, а його найбільший розмір сягає 80 млн світлових років.

Надскупчення нерідко утворюють довгі ланцюжки, або філаменти, до яких входить по 5–20 надскупчень різного розміру. Найбагатший із близьких до нас ланцюжків — Концентрація Шеплі. Вона розташована на відстані близько 500 млн світлових років від нас і має протяжність до 300 млн світлових років.

Ієрархія астрономічних систем не простягається необмежено до як завгодно великих масштабів; вона обмежена десятками надскупчень. Це означає, що скупчення й надскупчення розподілені в просторі в середньому рівномірно. Якщо подумки виділити в об’ємі Всесвіту області розміром в 1 млрд світлових років (або більше) і підрахувати в кожній із них кількість галактик, то вона виявиться практично однаковою для всіх таких областей. Те саме буде й при підрахунку скупчень і надскупчень. Об’єм поперечником в 1 млрд світлових років, починаючи з якого розподіл галактик видається в середньому рівномірним у просторі, називають коміркою однорідності у Всесвіті.

Сучасним спостереженням доступний об’єм простору радіусом близько 15 млрд світлових років. У такому величезному космологічному масштабі світ галактик виглядає простим, однорідним і безструктурним.

Розбігання галактик

Альберт Айнштайн висунув у 1917 р. гіпотезу всесвітнього антитяжіння, яка була підтверджена астрономічними спостереженнями в 1998–1999 рр.

Космологічне розширення було теоретично передбачене в 1922 р. петроградським математиком Олександром Олександровичем Фрідманом. Спираючись на загальну теорію відносності Айнштайна, він довів, що однорідний світ не може перебувати в спокої і має або розширюватися, або стискатися. Оскільки Всесвіт розширюється, це означає, що всій його речовині колись були надані гігантські швидкості розбігання внаслідок первісної космічної події, що отримала назву Великого вибуху. Її фізична природа досі залишається загадкою.

А.А. Фрідман наважився орієнтовно визначити, як далеко від нас у минулому розташований момент Великого вибуху. За його оцінкою, космологічне розширення почалося 10 млрд років тому, якщо рахувати за порядком величини (тобто з точністю до степеня десятки в її числовому вираженні). Ця наближена оцінка добре узгоджується з найновішими спостережними даними, згідно з якими світ почав своє існування близько 15 млрд років тому. Тому промені світла, які ми зараз приймаємо, не могли бути випромінені раніше і, відповідно, світло могло пройти за цей час шлях не більший за таку саму кількість світлових років. Отже, 15 млрд світлових років — це гранично далека відстань, доступна для спостережень, принциповий горизонт видимості в реальному світі. Найдальші джерела світла, галактики й квазари, лежать на відстанях як

раз близько 10 млрд світлових років, тобто поблизу космічного горизонту. Це, очевидно, означає, що за наявної дальності дії астрономічних інструментів об’єктом прямих спостережних досліджень у XXI ст. стає майже весь принципово доступний для спостережень об’єм Всесвіту.

Своїми сучасними успіхами наука про Всесвіт завдячує швидкому зростанню арсеналу астрономічної техніки. Якщо в розпорядженні Габбла був чималий на ті часи телескоп із дзеркалом діаметром 2,5 м, то вже майже три десятки років діє шестиметровий телескоп Спеціальної астрофізичної обсерваторії Російської академії наук (САО РАН) на Північному Кавказі, а нещодавно введено в дію два телескопи діаметром 10 м на Гаваях (США) і кілька міжнародних телескопів діаметром 8 м у Чилі. На стадії конструювання перебувають ще значно більші телескопи з мозаїкою дзеркал, а не із суцільним дзеркалом. За своєю ефективністю вони еквівалентні телескопам із діаметром суцільного дзеркала 30 і 100 м. За часів Габбла використовувався лише 1% світла, що падає на дзеркало. Сучасні приймачі світла (прилади із зарядовим зв’язком) вловлюють майже 100% світла небесних джерел.

Астрономічні спостереження ведуться зараз як за допомогою наземних інструментів, так і на космічних обсерваторіях. На орбіті навколо Землі перебуває американський космічний телескоп «Габбл» із дзеркалом діаметром 2,4 м (майже точнісінько як у Габбла в Маунт-Вілсоні). Спеціалізовані орбітальні обсерваторії спостерігають Всесвіт в інфрачервоних, ультрафіолетових, рентгенівських і гамма-променях.

Парадокс Габбла–Сендіджа

Повернімося до витоків спостережної космології, у 1920-ті рр., коли Габбл вивчав щойно відкритий феномен розбігання галактик. У його розпорядженні були виміряні Слайфером швидкості віддалення галактик, але відстані до них ще не були визначені. До 1929 р. Габблу вдалося оцінити відстані до двох десятків галактик, і це відразу привело його до визначного відкриття: виявилося, що швидкості віддалення галактик пропорційні відстаням до них. Цей факт відтоді називають законом Габбла.

Олександр Олександрович Фрідман побудував у 1922–1924 рр. теорію космологічного розширення з урахуванням ейнштейнівського антитяжіння; це основа основ сучасної космології

Теорія Фрідмана говорить нам, що закон прямої пропорційності швидкості та відстані — це обов’язковий і неминучий наслідок однорідності розподілу речовини. Оскільки розподіл речовини у Всесвіті однорідний, його розширення може відбуватися за цим і лише за цим законом. І навпаки: розширення за законом прямої пропорційності можливе тільки в однорідному світі.

Здавалося б, очевидна повна гармонія космологічної теорії та астрономічних спостережень. Але якщо уважніше придивитися до оригінальної габблівської діаграми, то можна побачити, що відстані до галактик на ній (після усунення систематичної похибки) не перевищують 50 млн світлових років, або 18 мегапарсеків (якщо користуватися цією одиницею довжини, прийнятою в позагалактичній астрономії; 1 мегапарсек [Мпк]=1 мільйон парсеків; 1 парсек близький до трьох світлових років). А свій початок потік розширення бере на ній лише на відстані 1–2 Мпк від нас.

Але одиниці й десятки мегапарсеків — це аж ніяк не космологічний масштаб. Це значно менше за розмір комірки однорідності у Всесвіті, починаючи з якого однорідність розподілу речовини справді має місце. У нашій же найближчій галактичній околиці, в об’ємі, який спостерігав Габбл, жодної однорідності в розподілі речовини немає й поготів. Навпаки, галактики розташовані тут украй нерегулярно, є сильні згущення, галактики утворюють групи розмірами близько 1 Мпк, вони входять до Місцевого надскупчення, центр якого лежить у напрямку сузір’я Діви і перебуває на відстані 17 Мпк. Як за таких умов може існувати регулярний потік розширення із законом прямої пропорційності швидкості та відстані? Адже за теорією Фрідмана цей закон можливий лише в разі однорідного розподілу речовини в просторі.

Першим (ще на початку 1970-х рр.) звернув увагу на цей дивний факт американський астроном Алан Сендідж (Allan Sandage), колишній співробітник Габбла, продовжувач його наукової традиції в позагалактичній астрономії. Особливо загадковою здавалася Сендіджу одна обставина. Річ у тім, що темп розбігання галактик характеризують відношенням відстані до галактики до швидкості її віддалення від нас. Це відношення називають сталою Габбла. Вона стала в тому сенсі, що її середня величина не залежить ні від напрямку на галактику, ні від відстаней у світі галактик. На великих відстанях, що перевищують розмір комірки однорідності, тобто в області «справді космологічних» масштабів, виміряне значення «глобальної» сталої Габбла становить, за останніми даними, отриманими американською орбітальною лабораторією WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), S72pm 4S км/с на Мпк. Але виміряна і всередині комірки однорідності, на відстанях від 4 до 300 Мпк, стала Габбла становить, за даними (2006 р.) групи Сендіджа, S64pm 7S км/с на Мпк, тобто допустимі в обох випадках інтервали значень цієї величини перекриваються. Загальна картина розбігання галактик виглядає так, наче глобальний космологічний потік починається просто поблизу нас і, простягаючись далі мало не до горизонту світу, зберігає всюди свою кінематичну ідентичність. Але як же це може бути?

Таким є парадокс, що існує в космології з часів Габбла. Через 70 років після відкриттів Габбла, у 1999 р., Сендідж писав: «Ми так і залишаємося з цією таємницею».

Місцевий габблівський потік

Едвін Габбл відкрив у 1929 р. феномен розбігання галактик і сформулював закон руху галактик, що носить його ім’я

Зі зрозумілих причин найгостріший інтерес викликає той дивовижний факт, що регулярний габблівський закон розбігання галактик спостерігається в нашому найближчому галактичному оточенні на відстанях лише в кілька Мпк. Найновіші дані про рух галактик в області екстремально малих галактичних масштабів отримано одним з авторів (І.Д. Караченцевим) разом з його співробітниками в Спеціальній астрофізичній обсерваторії Російської академії наук (САО РАН) у співпраці з астрономами США, Німеччини та України. Це результат багаторічних ретельних спостережень близько 200 близьких галактик, спрямованих на те, щоб заново й максимально точно визначити їхні швидкості та відстані до них. У роботі використовувалися космічний телескоп «Габбл» (загалом протягом майже двохсот орбітальних періодів) і Великий телескоп САО РАН. Основний висновок полягає в тому, що на значно більшому спостережному матеріалі та з вищим ступенем точності, ніж це було можливо досі, підтверджено й продемонстровано існування регулярного потоку розширення з габблівським законом швидкості для відстаней до 8 Мпк. Особливо важливо було встановити, що регулярний потік розбігання галактик починається в області на відстані близько 1,5–2 Мпк від нас: починаючи з цих відстаней, закон Габбла вже впевнено простежується.

Улітку 2000 р. інший автор цієї статті (А. Чернін) представив доповідь про парадокс Габбла–Сендіджа («Чому габблівський потік такий спокійний?») на міжнародному космологічному симпозіумі, що проходив у рамках конгресу COSPAR (Committee on Space Research) у Варшаві. У ній було вперше висунуто припущення, що габблівським потоком керує темна енергія. Вона має всюди ідеально однорідну густину, домінує у Всесвіті за енергією і тому контролює темп розбігання галактик у всіх масштабах — від відстаней 1–2 Мпк і до меж видимого Всесвіту. Це і є фізична причина, через яку розбігання галактик виявляється всюди таким спокійним, тобто регулярним, і майже строго відповідає закону Габбла. Темну енергію було щойно (у 1998–1999 рр.) відкрито під час спостережень дуже далеких галактик.

Космічний телескоп «Габбл» (HST), орбітальний телескоп NASA (США), у польоті. Спостереження, про які йдеться в статті, проводилися на цьому телескопі протягом 200 його орбітальних періодів

Темна енергія

Про відкриття темної енергії в космології тепер уже багато написано (див.: Двейли Д. Кто нарушил закон тяготения // ВМН, № 5, 2004; Дрейфус К. и Кросс Л. Что беспокоит физиков? // ВМН, № 11, 2004; Черепащук А.М. и Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003). У 1998–1999 рр. було опубліковано перші дані спостережень, які вказували на те, що космологічне розширення відбувається прискорено, тобто що швидкості взаємного віддалення галактик зростають із часом. Раніше вважали, що розбігання галактик може тільки сповільнюватися під дією всесвітнього тяжіння. Однак прискорення означає, що в природі існує не лише всесвітнє тяжіння, а й всесвітнє антитяжіння, яке переважає над тяжінням у спостережуваному Всесвіті. Антитяжіння створюється не галактиками (з їхніми звичайною світною баріонною речовиною та темною матерією), а певним космічним середовищем, у яке занурені всі галактики світу. Це гіпотетичне середовище — темна енергія.

Фізична природа темної енергії поки що залишається невідомою. Однак із цього приводу висловлено чимало цікавих гіпотез, найпростіша з яких (і, схоже, найімовірніша) пов’язує темну енергію з космологічною сталою. Цю універсальну сталу Ейнштейн увів у космологію та фізику в 1917 р., на зорі сучасної науки. Якщо ейнштейнівська стала додатна, то теорія Фрідмана (а в ній цю сталу враховували від самого початку) може описувати космологічне розширення не лише зі сповільненням, а й із прискоренням. Саме цей варіант динаміки світу, як виявилося, реалізується в реальному Всесвіті.

Але яка фізика стоїть за космологічною сталою? Сам Ейнштейн не залишив відповіді на це запитання. За думкою петербурзького теоретика Ераста Борисовича Глінера, висловленою ще в 1965 р., космологічна стала описує вакуум. Цей вакуум — аж ніяк не порожнеча. Його можна уявити як особливе суцільне середовище, що ідеально рівномірно заповнює весь Всесвіт і має всюди й завжди сталу густину. Густина вакууму додатна, а його тиск від’ємний. Через від’ємний тиск і виникає не тяжіння, а антитяжіння.

Якщо в таке середовище помістити дві частинки, то вакуум здатний подолати їхнє взаємне тяжіння й змусити їх віддалятися одна від одної, причому з прискоренням, тобто зі швидкостями, що зростають із часом. Цей вакуум Ейнштейна—Глінера найімовірніше й керує динамікою спостережуваного Всесвіту.

Закон Габбла: лінійна залежність швидкості віддалення галактик від відстані до них. Оригінальна діаграма 1929 р. Відстані у Габбла в 1929 р. були визначені зі значною систематичною похибкою: насправді всі вони у 8 разів більші, ніж він тоді вважав

З відкриттям вакууму (якщо темна енергія — це справді енергія вакууму Ейнштейна—Глінера) Всесвіт загалом постав перед нами одноріднішим, ніж можна було судити раніше лише за розподілом галактик у ньому. Справді, у спостережуваному світі домінує вакуум із його ідеально однорідною густиною. За величиною ця густина становить (у круглих числах) 75% повної густини Всесвіту. Такими є дані, відомі з 1998–1999 рр. і підтверджені пізніше, у 2003 і 2006 рр., незалежними спостереженнями, виконаними на вже згаданому американському космічному апараті WMAP. Це означає, що «звичайна» речовина, з якої складаються галактики (зокрема й так звана темна матерія, яку не слід плутати з темною енергією), помітно поступається вакууму за своєю середньою (подумки розподіленою по всьому простору) густиною. Відповідно, вакуум дає переважний внесок у повну масу й енергію Всесвіту.

Наскільки відомо, Ейнштейн та його послідовники цікавилися дією антитяжіння на Всесвіт загалом і, здається, не ставили питання про його можливі локальні ефекти. Але вакуум Ейнштейна—Глінера присутній усюди у світі, у кожному, можна сказати, кубічному сантиметрі його об’єму. Тому завдяки вакууму реальний Всесвіт виявляється однорідним не лише у власне космологічних масштабах 300 Мпк і більше. Насправді він однорідний навколо нас уже на відстанях у кілька Мпк. Прості оцінки показують, що тяжіння Місцевої групи галактик переважає лише на відстанях приблизно до 1,5 Мпк від її центру. А далі, аж до інших груп і скупчень галактик, майже безроздільно панує антитяжіння космічного вакууму. Там, де домінує темна енергія вакууму, галактики місцевого габблівського потоку рухаються майже як «пробні частинки» на ідеально регулярному тлі темної енергії, яка розганяє їх своїм антитяжінням.

Така картина місцевого габблівського потоку безпосередньо випливає з наших спостережень і описується розробленою нами комп’ютерною моделлю. У цій роботі разом з авторами цієї статті брали участь Пекка Теерікорпі (Pekka Teerikorpi), Маурі Валтонен (Mauri Valtonen) (Університет Турку, Фінляндія), Джин Берд (Jean Bird) (Університет Алабами, США), Юрій Миколайович Єфремов, Валентин Петрович Долгачов, Людмила Михайлівна Доможилова (ДАІШ МДУ), Юрій Вікторович Баришев (СПбДУ), Дмитро Ігорович Макаров (САО РАН).

Ключовий момент нашої моделі — кінематична тотожність габблівського потоку в масштабах від кількох Мпк до найбільших відстаней у світі галактик. Ця загадка, яка ще донедавна ставила космологів у глухий кут, тепер знаходить пояснення: всюди, де домінує вакуум із його скрізь однаковою густиною, темп розширення (що характеризується сталою Габбла) має бути практично однаковим. Річ у тім, що за таких умов стала Габбла визначається майже виключно самою густиною вакууму. У теоретично мислимому граничному випадку, коли у світі безроздільно панує вакуум, стала Габбла має бути строго однаковою в усьому діапазоні масштабів — від нас до краю Всесвіту. Граничне значення сталої становить приблизно 60 км/с на Мпк і зовсім недалеке від величин, отриманих у реальних астрономічних спостереженнях.

Варто зазначити, що Сендидж і його колеги підтримали наші результати, заявивши, що «ідея вакууму нині не має життєздатних альтернатив». Розвинену нами теоретичну модель пізніше підтвердили також масштабні незалежні обчислення, виконані міжнародною групою астрономів під керівництвом Фабіо Говернато (Університет Сіетла, США). Наша модель добре узгоджується також із загальною картиною формування космічних структур у масштабі кількох Мпк, яку розробляє група Дж. Острайкера (Принстонський університет, США).

Тепер стало очевидним, що космологія починається не із сотень мегапарсеків, а лише за кілька мегапарсеків від нас. І все це через переважання вакууму як у Всесвіті загалом, так і в окремих його об’ємах, подібних до нашого місцевого. Новий погляд на космологію підказує розгадку таємниці, яка довгі роки існувала в науці про Всесвіт. Дивовижно, але факт: лише з виявленням темної енергії стали по-справжньому зрозумілими реальне космологічне значення та істинний фізичний зміст відкриття, зробленого Габблом у 1929 р.

Але на ці результати можна поглянути й з іншого боку. Справді, кінематику місцевого габблівського потоку, вивчену нами за допомогою високоточних спостережень і нової теорії, тепер потрібно вважати прямим свідченням того, що темна енергія існує не лише на величезних космологічних відстанях, де її вперше виявили, а фактично повсюди у Всесвіті, скрізь, де спостерігається регулярне габблівське розбігання галактик. Звідси випливає, що таку важливу фізичну величину, як густина темної енергії, можна оцінити за виміряним значенням сталої Габбла. Ба більше, можлива ще одна незалежна оцінка тієї самої величини: вона випливає з нашої теорії й чисельно задається комбінацією двох спостережуваних величин — маси Місцевої групи галактик (близько 1,5 трлн. мас Сонця) та відстані (приблизно 1,5 Мпк), починаючи з якої розбігання галактик набуває регулярного габблівського характеру. Наші оцінки повністю узгоджуються між собою та з глобальними даними, отриманими в 1998–1999 рр. під час спостережень далеких галактик. Це означає, що темна енергія є універсальним явищем природи, а створюване нею антитяжіння виявляється всесвітнім у тому самому сенсі, що й ньютонівське всесвітнє тяжіння.

Дослідження темної енергії нині розгортаються широким фронтом. Інструментом, який сама природа подарувала нам для цього, є весь світ галактик — від меж спостережуваного Всесвіту до найближчих околиць Чумацького Шляху.

Сучасна діаграма «швидкість — відстань» для найближчих галактик (за даними І.Д. Караченцева). Радіальні швидкості й відстані галактик наведені в системі відліку, пов’язаній із центром Місцевої групи. Швидкості вважають додатними, якщо галактика віддаляється від центру групи, і від’ємними, якщо вона наближається до нього. Вертикальні й горизонтальні відрізки біля кожної точки вказують на величину похибки вимірювання відповідно швидкості та відстані. Майже для 80% найближчих (до 3 Мпк) галактик відстані вперше виміряла останніми роками група Караченцева за допомогою космічного телескопа «Габбл». Біля лівого краю рисунка (до відстаней 0,7 Мпк) розташовані галактики Місцевої групи, які демонструють розкид швидкостей до 150 км/с. Дві головні галактики групи — Чумацький Шлях і галактика в Андромеді — перебувають на відстанях відповідно 0,43 і 0,35 Мпк від центру групи й рухаються до нього зі швидкостями відповідно -88 і -35 км/с відносно центру. Суцільна лінія, проведена через точки спостережень, указує на лінійну залежність швидкості від відстані (закон Габбла), починаючи з відстаней 1,5–2 Мпк від центру Місцевої групи. Прикметно, що на відстанях понад 1,5–2 Мпк нахил цієї лінії відповідає значенню сталої Габбла H = 72 км/с/Мпк, що майже точно збігається з величиною, виміряною за глобальними космологічними спостереженнями. Розкид галактик навколо цієї середньої габблівської лінії дуже малий — він не перевищує 28 км/с. Якщо ж із цієї величини відняти розкид, пов’язаний із похибками спостережень, то реальні відхилення галактик від «закону галактик» [так в оригіналі; назва закону потребує уточнення] знижуються лише до 18 км/с. Такий малий розкид швидкостей, знайдений зовсім нещодавно групою Караченцева, є фактом фундаментального значення: він виразно вказує на присутність темної енергії відразу за порогом Місцевої групи.

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

ПРО АВТОРІВ

Артур Давидович Чернін — доктор фізико-математичних наук, професор Державного астрономічного інституту імені П.К. Штернберга, МДУ. Сфера наукових інтересів — космологія, фізика галактик.
Ігор Дмитрович Караченцев — доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач лабораторії позагалактичної астрономії у Спеціальній астрофізичній обсерваторії РАН. Сфера досліджень — спостережна космологія, позагалактична астрономія.

«В мире науки», листопад 2006

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.