Прискорене розширення Всесвіту: кілька популярних слів

Певна іронія природи полягає в тому, що найпоширеніша форма енергії у Всесвіті є водночас найзагадковішою. Після приголомшливого відкриття прискореного розширення Всесвіту доволі швидко виникла узгоджена картина, яка вказує, що 2/3 космосу «зроблені» з «темної енергії» — певного різновиду гравітаційно відштовхувального матеріалу. Але чи достатньо переконливі докази на підтвердження нових екзотичних законів природи? Можливо, існують простіші астрофізичні пояснення цих результатів?

Історія темної енергії почалася в 1998 році, коли два незалежні колективи досліджували далекі наднові з метою визначити швидкість уповільнення розширення Всесвіту. Одна з цих груп, Supernova Cosmology Project, почала працювати в 1988-му, і керував нею Сол Перлмуттер. Інша, очолювана Браяном Шмідтом High-z Supernova Search Team, долучилася до досліджень у 1994-му. Результат шокував їх: Всесвіт уже досить давно перебуває в режимі прискореного розширення.

Як детективи, космологи всього світу збирали досьє на обвинуваченого, відповідального за прискорення. Його особливі прикмети: гравітаційно відштовхує, перешкоджає утворенню галактик (скупчуванню матерії в галактики), проявляється в розтягуванні простору-часу. Прізвисько обвинуваченого — «темна енергія». Багато теоретиків припускали, що обвинувачений — космологічна стала. Вона безумовно відповідала сценарію прискореного розширення. Але чи вистачало доказів, щоб повністю ототожнити темну енергію з космологічною сталою?

Існування гравітаційно відштовхувальної темної енергії мало б мати разючі наслідки для фундаментальної фізики. Найконсервативніше припущення полягало в тому, що Всесвіт заповнений однорідним морем квантової енергії нульових коливань або конденсатом нових частинок, маса яких у ${{10}^{39}}$ разів менша за масу електрона. Деякі дослідники також припускали необхідність зміни загальної теорії відносності, зокрема введення нових далекодійних сил, які послаблюють дію гравітації. Але навіть найконсервативніші пропозиції мали серйозні недоліки. Наприклад, густина енергії нульових коливань виявилася на неймовірні 120 порядків меншою за теоретичні передбачення. На тлі цих крайніх припущень природнішим здавалося шукати розв’язання в межах традиційних астрофізичних понять: міжгалактичний пил (розсіяння фотонів на ньому й пов’язане з цим ослаблення потоку фотонів) або відмінності між новими та старими надновими зорями. Цю можливість підтримували багато космологів, які не спали ночами.

Спостереження наднових та їхній аналіз, проведений С. Перлмуттером, Б. Шмідтом і А. Ріссом, дали зрозуміти, що зменшення їхньої яскравості з відстанню відбувається помітно швидше, ніж слід було очікувати за прийнятими на той час космологічними моделями. Зовсім нещодавно це відкриття було відзначено Нобелівською премією з фізики. Таке додаткове потьмяніння означає, що цьому червоному зміщенню відповідає певна ефективна добавка до відстані. Але це, своєю чергою, можливе лише тоді, коли космологічне розширення відбувається з прискоренням, тобто швидкість віддалення від нас джерела світла не зменшується, а зростає з часом. Найважливішою особливістю нових експериментів було й те, що вони дали змогу не лише встановити сам факт прискореного розширення, а й зробити важливий висновок про внесок різних складових у густину речовини у Всесвіті.

Донедавна наднові зорі були єдиним прямим доказом прискореного розширення та єдиною переконливою опорою гіпотези темної енергії. Точні вимірювання космічного мікрохвильового фону, що включають дані WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), дали незалежне підтвердження реальності темної енергії. Те саме підтвердили й дані ще двох потужних проєктів: великомасштабний розподіл галактик у Всесвіті та Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Слоанівський цифровий огляд неба) — проєкт широкомасштабного дослідження зображень і спектрів зір та галактик, що використовує 2,5-метровий ширококутний телескоп в обсерваторії Апачі-Пойнт, Нью-Мексико.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космічний апарат НАСА, призначений для вивчення реліктового випромінювання, яке утворилося внаслідок Великого вибуху в момент зародження Всесвіту.

Поєднання даних WMAP, SDSS та інших джерел показало, що гравітаційне відштовхування, породжене темною енергією, сповільнює колапс надщільних областей матерії у Всесвіті. Реальність темної енергії одразу стала значно прийнятнішою.

Космічне розширення

Космічне розширення відкрив Едвін Габбл наприкінці 1920-х років, і, можливо, воно є найважливішою особливістю нашого Всесвіту. Не лише астрономічні тіла рухаються під впливом гравітаційної взаємодії зі своїми сусідами, а й великомасштабні структури ще більшою мірою розтягуються космічним розширенням. Популярна аналогія — рух родзинок у дуже великому пирозі, що стоїть у печі. Коли пиріг підходить, відстань між будь-якою парою родзинок у ньому зростає. Якщо уявити, що одна конкретна родзинка представляє нашу галактику, ми виявимо, що всі інші родзинки (галактики) віддаляються від нас у всіх напрямках. Наш Всесвіт розширювався від гарячого щільного космічного супу, створеного під час Великого вибуху, до значно холоднішої й розрідженішої сукупності галактик та їхніх скупчень, яку ми спостерігаємо сьогодні.

Що далі від Землі розташована галактика, то вища швидкість її віддалення від нас і, відповідно, то сильніше лінії її спектра зміщені до червоного краю.

Світло, випущене зорями й газом у далеких галактиках, розтягується подібним чином, збільшуючи свою довжину хвилі під час подорожі до Землі. Цю зміну довжини хвилі задає червоне зміщення $z=\left(\lambda_{obs}-\lambda_0\right)/\lambda_0$, де $\lambda_{obs}$ — довжина хвилі світла на Землі, а $\lambda_{0}$— довжина хвилі випущеного світла. Наприклад, перехід лайман-альфа в атомі водню характеризується довжиною хвилі $\lambda_0=121.6$ нанометрів (під час повернення в основний стан). Цей перехід можна виявити у випромінюванні далеких галактик. Зокрема, його використали для виявлення рекордно великого червоного зміщення: приголомшливого z=10 із лінією лайман-альфа при $\lambda_{obs}=1337.6$ нанометрів. Але червоне зміщення описує лише зміну масштабів космосу між випусканням і поглинанням світла та не дає прямої інформації про відстань до випромінювача або вік Всесвіту, коли світло було випущене. Якщо ми знаємо і відстань до об’єкта, і червоне зміщення, то можемо спробувати отримати важливу інформацію про динаміку розширення Всесвіту.

Спостереження наднових зір виявили певну гравітаційно відштовхувальну субстанцію, яка керує прискоренням Всесвіту. Астрономи не вперше зіткнулися з проблемою відсутньої матерії. Маси речовини галактик, що світиться, виявилися істотно меншими за гравітаційні маси. Цю різницю заповнили темною матерією — холодною нерелятивістською матерією, яка, імовірно, переважно складається з частинок, що слабко взаємодіють з атомами та світлом.

Однак спостереження вказували, що загальна кількість матерії у Всесвіті, включно з темною матерією, становить лише 1/3 повної енергії. Це підтвердило дослідження мільйонів галактик у межах проєктів 2DF і SDSS. Але загальна теорія відносності передбачає точний зв’язок між розширенням та енергетичним вмістом Всесвіту. Отже, ми знаємо, що загальну густину енергії всіх фотонів, атомів і темної матерії потрібно доповнити до певного критичного значення, яке визначається сталою Габбла $H_{0}$: ${{\rho}_{crit}}=3H_{0}^{2}/8\pi\cdot{G}$. Заковика в тому, чого немає, але це зовсім інша історія.

Маса, енергія та кривизна простору-часу безпосередньо пов’язані в ЗТВ. Отже, одне з пояснень може полягати в тому, що проміжок між критичною густиною та спостережуваною густиною матерії заповнений певною густиною енергії, пов’язаною з деформацією простору на великих масштабах і спостережуваною лише на масштабах порядку $c/{{H}_{0}}\sim 4000\ Mpc$. На щастя, кривизну Всесвіту можна визначити за допомогою прецизійних вимірювань МКФ. МКФ — релікт, що виник через 400.000 [одиницю часу в оригіналі не вказано] після Великого вибуху, — є випромінюванням абсолютно чорного тіла, джерелом якого була первинна плазма. Коли Всесвіт охолов нижче $3000\ K$, плазма стала прозорою для фотонів, і вони отримали змогу вільно поширюватися в просторі. Сьогодні, майже 15 млрд років потому, ми спостерігаємо тепловий резервуар фотонів за температури $2.726\ K$, що є результатом червоного зміщення внаслідок космічного розширення.

Чудове зображення МКФ отримано за допомогою супутника WMAP: воно показує найменші зміни фотонної температури «неба». Ці варіації, відомі як анізотропія МКФ, відображають малі варіації густини та руху раннього Всесвіту. Ці варіації, які виникають на рівні ${{10}^{-5}}$, є зародками великомасштабної структури (галактик, скупчень), яку ми спостерігаємо сьогодні.

Найхолодніші/найгарячіші плями в космічному мікрохвильовому фоні зумовлені фотонами, що вибралися з областей гравітаційного потенціалу з найбільшою/найменшою густиною. Розміри цих областей добре визначаються фізикою плазми. Коли ми розглядаємо весь Всесвіт, видимий кутовий розмір цих анізотропій має бути близьким до ${{0.5}^{0}}$, якщо Всесвіт має достатню кривизну, щоб заповнити енергетичний проміжок, і вдвічі більшим за відсутності будь-якого викривлення простору. Найпростіше уявити цей геометричний ефект так: уявімо трикутник із фіксованою основою та бічними сторонами (просто сторонами?), намальований на поверхнях різної кривизни. Для сідлоподібної поверхні/сфери внутрішні кути будуть меншими/більшими, ніж у такого самого трикутника, намальованого на плоскій поверхні (з евклідовою геометрією).

З 1999 року було проведено низку експериментів (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), які показали, що плями МКФ мають розміри порядку${{1}^{0}}$. Це означає, що геометрія Всесвіту плоска. З погляду проблеми відсутньої енергії це означає, що за заповнення проміжку має відповідати щось інше, ніж кривизна. Для деяких космологів цей результат виглядав як déjà vu. Інфляція, найкраща теорія походження первинних флуктуацій МКФ, припускає, що дуже ранній Всесвіт пережив період прискореного розширення, яким керувала частинка на ім’я інфлатон. Інфлатон мав розтягувати будь-яку великомасштабну кривизну, роблячи геометрію Всесвіту плоскою, або евклідовою. Доведення передбачає існування форми енергії, яка перешкоджає скупчуванню галактик, є гравітаційно відштовхувальною та, можливо, зумовлена частинкою, відмінною від інфлатона.

Космічна гармонія

Дані про реліктове випромінювання та наднові зорі узгоджено підтвердили, що джерелом космічного прискорення є темна енергія. Але це був лише початок. Поєднуючи прецизійні вимірювання МКФ, отримані WMAP, із радіо-, оптичним і рентгенівським дослідженням великомасштабного розподілу матерії, астрофізики отримали подальші докази зростання швидкості розширення Всесвіту. Виявилося, що гравітаційні потенціальні ями густини й ущільнення у Всесвіті з часом розтягувалися та згладжувалися, ніби під впливом відштовхувальної гравітації. Цей ефект відомий як інтегральний ефект Сакса—Вольфа (Sachs-Wolfe (ISW)). Він приводить до кореляції між температурною анізотропією реліктового випромінювання та великомасштабною структурою Всесвіту. Хоча первинна плазма стала прозорою для фотонів, коли Всесвіт охолов, фотони не подорожують безперешкодно. Космос пронизаний неоднорідностями, які сильні на малих відстанях (де матерія скупчується в зорі, галактики й туманності) та поступово слабшають на великих масштабах довжини… Під час польоту фотони падають у гравітаційні ями й вибираються з них.

Після того як космічне випромінювання вперше зареєстрували (близько 40 років тому), Сакс і Вольф показали, що змінний у часі потенціал має приводити до зміни енергії фотонів МКФ, які проходять крізь нього. Фотон набуває енергії, коли падає в гравітаційну яму, і витрачає її, коли вибирається з неї. Якщо потенціал став глибшим у ході цього процесу, то фотон загалом втратить енергію. Якщо потенціал стане мілкішим, фотон набуде енергії.

У Всесвіті, де повна критична густина утворюється лише атомами й темною матерією, слабкі гравітаційні потенціали на дуже великих просторових масштабах (що відповідають плавним (gentle) хвилям густини матерії) еволюціонують надто повільно, щоб залишити помітні сліди на фотонах МКФ. Щільніші області просто захоплюють навколишню речовину з тією самою швидкістю, з якою космічне розширення подовжує хвилі, залишаючи потенціал незмінним. Однак за швидшого розширення Всесвіту, зумовленого темною енергією, акреція матерії не може конкурувати з розтягуванням. Фактично виходить, що гравітаційний колапс уповільнюється відштовхувальною темною матерією [термін в оригіналі потребує уточнення]. Отже, гравітаційний потенціал має тенденцію до вирівнювання, і фотони набувають енергії під час проходження цих областей. Подібним чином фотони втрачають енергію, проходячи крізь області зниженої густини. (Нетривіально!)

Від’ємний тиск

Найбільша загадка космічного прискорення полягає не в тому, що воно передбачає невидимість для нас 2/3 субстанції, яка заповнює Всесвіт, а в тому, що воно вимагає існування речовини з гравітаційним відштовхуванням. Щоб розглянути цю дивну властивість темної енергії, корисно ввести величину $w={{p}_{dark}}/{{\rho }_{dark}}$. Цей вираз нагадує рівняння стану газу. У ЗТВ швидкість зміни космічного розширення пропорційна $-\left( {{\rho }_{total}}+3{{p}_{total}} \right)$. Для прискореного розширення ця величина має бути додатною. Оскільки ${{\rho }_{total}}$ додатна, а середній тиск звичайної та темної матерії нехтовно малий (бо вона холодна й нерелятивістська), ми приходимо до вимоги $3w\times {{\rho }_{dark}}+{{\rho }_{total}}< 0$ як умови прискореного розширення. Оскільки ${{\rho }_{dark}}\sim 2/3{{\rho }_{total}}$, ми знаходимо, що $w\le -1/2$. Тому тиск темної матерії [термін в оригіналі потребує уточнення] не просто малий від’ємний, а великий від’ємний.

Чому тиск впливає на розширення Всесвіту? Ейнштейн показав, що матерія та енергія викривляють простір-час. Тому для гарячого газу кінетична енергія його атомів робить внесок у їхні гравітаційні сили, як це було встановлено вимірюванням прискорення віддалених тіл. Однак сили, необхідні для утримання чи ізоляції газу, діють проти цього надлишкового тиску. Всесвіт, зі свого боку, не є ні ізольованим, ні обмеженим. Розширення космосу, заповненого гарячим газом, фактично відбуватиметься повільніше (через самогравітацію), ніж розширення Всесвіту, заповненого холодним газом. За тією самою логікою середовище з таким від’ємним тиском, що ${{\rho }_{total}}+3p < 0 $, розширюватиметься швидше, розштовхуване власною антигравітацією.

Від’ємний тиск — не таке вже й рідкісне явище. Тиск води в деяких високих деревах стає від’ємним у міру того, як поживні речовини піднімаються їхньою судинною системою. В однорідному електричному або магнітному полі також можна знайти конфігурації з від’ємним тиском. У цих випадках тиск є чимось подібним до розтягнутої пружини під напруженням, спричиненим внутрішніми силами. На мікроскопічному рівні резервуар гіґґсівських бозонів (гіпотетичних частинок, які породжують масу частинок у Стандартній моделі) створює від’ємний тиск, коли його теплові або кінетичні збудження малі. Справді, інфлатон можна розглядати як важку версію гіґґсівського бозона. Одна із запропонованих версій темної енергії — квінтесенція — може бути ще легшою версією гіґґсів.

У принципі нижньої межі тиску у Всесвіті не існує. Хоча дивні речі відбуваються, якщо $w$ опускається до значення, меншого за $-1.$. Ізольовані шматки такого матеріалу можуть мати від’ємну масу. … Але одна річ очевидна. Такий сильний від’ємний тиск не виникає для звичайних частинок і полів у ЗТВ. Численні спостереження приводять до вужчого діапазону параметрів темної енергії, ніж той, який випливає з наведених вище загальних міркувань.

Поєднання передбачень різних теоретичних моделей і найкращих спостережень реліктового випромінювання, великомасштабних структур та наднових зір приводить до $$\Omega_{dark}= 0.728^{+0.015}_{-0.016}$$ $$w= -0.980\pm0.053 $$

Коротка історія темної енергії

Темна енергія або щось подібне до неї багато разів виникала в історії космології. Скриньку Пандори відкрив Ейнштейн, який увів космологічну сталу у свої рівняння гравітаційного поля. Космічне розширення тоді ще не було відкрите, і рівняння правильно «підказували», що Всесвіт, який містить матерію, не може бути статичним без математичного доповнення — космологічної сталої, яку прийнято позначати $\Lambda$. Ефект еквівалентний заповненню Всесвіту морем від’ємної енергії, у якому дрейфують зорі й туманності. Відкриття розширення усунуло потребу в цьому ad hoc доповненні теорії.

У наступні десятиліття відчайдушні теоретики періодично вводили $\Lambda$, намагаючись пояснити нові астрономічні явища. Ці повернення завжди були короткочасними й зазвичай завершувалися правдоподібнішими поясненнями отриманих даних. Однак із 60-х років почала пробиватися ідея, що вакуумна (нульова) енергія всіх частинок і полів неминуче має породжувати доданок, подібний до $\Lambda$. Крім того, є підстави вважати, що космологічна стала могла природно виникнути на ранніх етапах еволюції Всесвіту.

У 1980 році було розвинено теорію інфляції. У цій теорії ранній Всесвіт пережив період прискореного експоненційного розширення. Розширення було зумовлене від’ємним тиском, спричиненим новою частинкою — інфлатоном. Інфлатон виявився дуже успішним. Він розв’язав багато парадоксів моделі Великого вибуху. До цих парадоксів належать проблеми горизонту та пласкості Всесвіту. Передбачення теорії добре узгоджувалися з різними космологічними спостереженнями.

Темна енергія та майбутнє Всесвіту

З відкриттям темної енергії істотно змінилися уявлення про те, яким може бути далеке майбутнє нашого Всесвіту. До цього відкриття питання про майбутнє однозначно пов’язували з питанням про кривизну тривимірного простору. Якби, як багато хто раніше вважав, кривизна простору на 2/3 визначала сучасний темп розширення Всесвіту, а темної енергії не було, то Всесвіт розширювався б необмежено, поступово сповільнюючись. Тепер же зрозуміло, що майбутнє визначається властивостями темної енергії.

Оскільки ці властивості ми зараз знаємо погано, передбачити майбутнє поки не можемо. Можна лише розглянути різні варіанти. Про те, що відбувається в теоріях із новою гравітацією, сказати важко, але інші сценарії можна обговорити вже зараз. Якщо темна енергія стала в часі, як у випадку енергії вакууму, то Всесвіт завжди розширюватиметься прискорено. Більшість галактик зрештою віддалиться від нашої на величезну відстань, і наша Галактика разом із небагатьма сусідами опиниться острівцем у порожнечі. Якщо темна енергія — квінтесенція, то в далекому майбутньому прискорене розширення може припинитися й навіть змінитися стисканням. В останньому випадку Всесвіт повернеться до стану з гарячою та щільною матерією, відбудеться «Великий вибух навпаки», назад у часі.

Енергетичний бюджет нашого Всесвіту. Варто звернути увагу, що на частку звичної речовини (планет, зір, усього навколишнього світу) припадає лише 4 відсотки, а решту становлять «темні» форми енергії.

Ще драматичніша доля чекає на Всесвіт, якщо темна енергія — фантом, причому такий, що густина його енергії зростає необмежено. Розширення Всесвіту ставатиме дедалі швидшим, воно настільки прискориться, що галактики будуть вирвані зі скупчень, зорі — з галактик, планети — із Сонячної системи. Дійде до того, що електрони відірвуться від атомів, а атомні ядра розділяться на протони й нейтрони. Відбудеться, як кажуть, Великий розрив.

Такий сценарій, однак, видається не дуже ймовірним. Найімовірніше, густина енергії фантома залишатиметься обмеженою. Але й тоді на Всесвіт може чекати незвичайне майбутнє. Річ у тім, що в багатьох теоріях фантомна поведінка — зростання густини енергії з часом — супроводжується нестійкостями фантомного поля. У такому разі фантомне поле у Всесвіті ставатиме сильно неоднорідним, густина його енергії в різних частинах Всесвіту буде різною: якісь частини швидко розширюватимуться, а якісь, можливо, зазнають колапсу. Доля нашої Галактики залежатиме від того, у яку область вона потрапить.

Усе це, втім, стосується майбутнього, далекого навіть за космологічними мірками. У найближчі 20 мільярдів років Всесвіт залишатиметься майже таким самим, як зараз. У нас є час, щоб розібратися у властивостях темної енергії й завдяки цьому певніше передбачити майбутнє — а можливо, і вплинути на нього.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.