Острова в океане темной энергии
Об авторах
Игорь Дмитриевич Караченцев — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией внегалактической астрономии в Специальной астрофизической обсерватории РАН. Область исследований — наблюдательная космология, внегалактическая астрономия.Артур Давидович Чернин — доктор физико-математических наук, профессор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, МГУ. Область научных интересов — космология, физика галактик.
Вселенная — мир галактик и вакуума. Недавние исследования показали, что галактики и все тела природы погружены в неведомую ранее космическую среду, получившую название «темная энергия». На эту среду приходится приблизительно 75% всей энергии и массы Вселенной.
Галактики — лишь небольшая примесь «обычного» вещества, разбросанного сгустками в космическом пространстве на однородном фоне темной энергии, то есть энергии космического вакуума. Она создает всемирное антитяготение и заставляет галактики удаляться от нас и друг от друга с возрастающими со временем скоростями. Темная энергия дает о себе знать не только на огромных космологических расстояниях, где ее впервые обнаружили, но и вблизи нас, совсем недалеко от Млечного Пути.
Галактики, скопления, сверхскопления
|
В 1922–1924 гг. эстонский теоретик, выпускник Московского университета Эрнст Эпик (Ernst Öpik), работавший тогда в Москве, и американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) из обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии независимо друг от друга и притом совершенно разными путями доказали, что знаменитая туманность Андромеды находится вне нашей галактики. Распространенная ранее точка зрения состояла в том, что галактика, которая видна на небе как Млечный Путь, это и есть чуть ли не вся Вселенная. Оказалось, что туманность Андромеды представляет собой гигантскую систему звезд, сравнимую с нашей галактикой по размерам и массе, а то и превосходящую ее.
Вскоре после этого Хабблу и его коллегам удалось установить природу еще двух десятков ближайших к нам туманностей, которые тоже оказались звездными системами, хотя и не такими крупными, как наша галактика или туманность Андромеды. С тех пор стало ясно, что Вселенная — это не мир звезд, как считали веками, а мир галактик.
Дальнейшие наблюдения показали, что большинство галактик собрано в различные группы и скопления, насчитывающие от нескольких единиц до сотен и тысяч звездных систем различной массы и размеров. Наша галактика вместе с галактикой Андромеды и четырьмя десятками менее крупных галактик образуют Местную группу, находящуюся по соседству со скоплением галактик в Деве, которое составляет вместе с несколькими другими систему, называемую Местным сверхскоплением. Это гигантское образование имеет уплощенную форму, и его наибольший размер достигает 80 млн световых лет.
Сверхскопления нередко образуют длинные цепочки, или филаменты, в
которые входит по
Иерархия астрономических систем не продолжается неограниченно до сколь угодно больших масштабов; она ограничена десятками сверхскоплений. Это означает, что скопления и сверхскопления распределены в пространстве в среднем равномерно. Если мысленно выделить в объеме Вселенной области с размером в 1 млрд световых лет (или более) и подсчитать в каждой из них число галактик, то оно окажется практически одинаковым для всех таких областей. То же самое будет и при подсчете скоплений и сверхскоплений. Объем поперечником в 1 млрд. световых лет, начиная с которого распределение галактик представляется в среднем равномерным по пространству, называют ячейкой однородности во Вселенной.
Современным наблюдениям доступен объем пространства радиусом около 15 млрд световых лет. Рассматриваемый в таком огромном космологическом масштабе, мир галактик выглядит простым, однородным и бесструктурным.
Разбегание галактик
Aмериканский астроном Весто Слайфер (Vesto Slipher) и Эдвин Хаббл в течение 1917–1929 гг. открыли, что галактики не стоят на месте, а движутся, и притом все они (кроме самых близких к нам, таких как туманность Андромеды) удаляются от нас и друг от друга. Разбегание галактик было обнаружено по спектрам принимаемого от них света. Оказалось, что спектральные линии сдвинуты (по сравнению с их «лабораторным» положением) в сторону больших длин волн, то есть в сторону красного конца спектра. Такой сдвиг спектральных линий, «красное смещение», возникает всегда, когда расстояние между источником и приемником света возрастает со временем (эффект Доплера). Разбегание галактик, обнаруженное первоначально в близкой к нам области Вселенной (до расстояний всего в 50 млн световых лет), прослеживается сейчас во всем мире галактик, реально доступном наблюдениям. Когда речь идет о самых больших, космологических расстояниях, превышающих размер космической ячейки однородности, об этом явлении природы говорят как об общем расширении Вселенной.
|
Космологическое расширение было теоретически предсказано в 1922 году петроградским математиком Александром Александровичем Фридманом. Основываясь на общей теории относительности Эйнштейна, он доказал, что однородный мир не может находиться в покое и должен либо расширяться, либо сжиматься. Раз Вселенная расширяется, это значит, что всему ее веществу некогда были приданы гигантские скорости разбега в результате изначального космического события, получившего название Большого взрыва. Его физическая природа до сих пор остается загадкой.
А.А. Фридман рискнул ориентировочно определить, как далеко в прошлом от нас локализован момент Большого взрыва. По его оценке, космологическое расширение началось 10 млрд лет назад, если считать по порядку величины (то есть с точностью до степени десятки в ее численном выражении). Эта приближенная оценка хорошо согласуется с самыми последними наблюдательными данными, согласно которым мир начал свое существование около 15 млрд лет назад. По этой причине лучи света, которые мы сейчас принимаем, не могли быть испущены раньше, и, соответственно, свет мог пройти за это время путь не больше такого же количества световых лет. Следовательно, 15 млрд световых лет — это предельно далекое расстояние, доступное наблюдениям, принципиальный горизонт видимости в реальном мире. Самые далекие источники света, галактики и квазары, лежат на расстояниях как раз около 10 млрд световых лет, то есть вблизи космического горизонта. Это, очевидно, означает, что при существующей дальности действия астрономических инструментов объектом прямых наблюдательных исследований в XXI веке становится почти весь принципиально доступный наблюдениям объем Вселенной.
Своими современными успехами наука о Вселенной обязана быстрому росту арсенала астрономической техники. Если в распоряжении Хаббла был немалый по тем временам телескоп с зеркалом диаметром 2,5 м, то уже почти три десятка лет действует шестиметровый телескоп Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН) на Северном Кавказе, а недавно введены в строй два телескопа диаметром 10 м на Гавайях (США) и несколько международных телескопов диаметром 8 м в Чили. На стадии конструирования находятся еще гораздо более крупные телескопы с мозаикой зеркал, а не со сплошным зеркалом. По своей эффективности они эквивалентны телескопам с диаметром сплошного зеркала в 30 и 100 м. Во времена Хаббла в дело шел только 1% света, падающего на зеркало. Современные приемники света (приборы с зарядовой связью) улавливают почти 100% света небесных источников.
Астрономические наблюдения ведутся сейчас как с помощью наземных инструментов, так и на космических обсерваториях. На орбите вокруг Земли находится американский космический телескоп «Хаббл» с зеркалом диаметром 2,4 м (почти в точности как у Хаббла в Маунт-Вилсоне). Специализированные орбитальные обсерватории наблюдают Вселенную в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах.
Парадокс Хаббла—Сэндиджа
Вернемся к истокам наблюдательной космологии, в 1920-е гг., когда Хаббл изучал только что открытый феномен разбегания галактик. В его распоряжении имелись измеренные Слайфером скорости удаления галактик, но расстояния до них не были еще определены. К 1929 году Хабблу удалось оценить расстояния для двух десятков галактик, и это немедленно привело его к замечательному открытию: оказалось, что скорости удаления галактик пропорциональны расстояниям до них. Этот факт называют с тех пор законом Хаббла.
|
Теория Фридмана говорит нам, что закон прямой пропорциональности скорости и расстояния — это обязательное и неизбежное следствие однородности распределения вещества. Раз Вселенная однородна по распределению вещества, ее расширение может происходить по этому и только этому закону. И наоборот: расширение по закону прямой пропорциональности возможно только в однородном мире.
Казалось бы, очевидна полная гармония космологической теории и астрономических наблюдений. Но если внимательнее приглядеться к оригинальной хаббловской диаграмме, то можно увидеть, что расстояния до галактик на ней (после устранения систематической ошибки) не превышают 50 млн световых лет, или 18 мегапарсек (если пользоваться этой единицей длины, принятой во внегалактической астрономии; 1 мегапарсек [Мпк] = 1 миллион парсек; 1 парсек близок к трем световым годам). А свое начало поток расширения берет на ней всего на расстоянии в 1–2 Мпк от нас.
Но единицы и десятки мегапарсек — это отнюдь не космологический масштаб. Это гораздо меньше размера ячейки однородности во Вселенной, начиная с которого однородность распределения вещества имеет место в действительности. В нашей же ближайшей галактической окрестности, в объеме, который наблюдал Хаббл, никакой однородности в распределении вещества нет и в помине. Напротив, галактики расположены здесь крайне нерегулярно, имеются сильные сгущения, галактики образуют группы с размерами около 1 Мпк, они входят в Местное сверхскопление, центр которого лежит в направлении на созвездие Девы и находится на расстоянии в 17 Мпк. Как при таких условиях может существовать регулярный поток расширения с законом прямой пропорциональности скорости и расстояния? Ведь, по теории Фридмана, этот закон возможен лишь в случае однородного распределения вещества в пространстве.
Первым (еще в начале 1970-х гг.) обратил внимание на этот странный факт американский астроном Алан Сэндидж (Allan Sandage), некогда сотрудник Хаббла, продолжатель его научной традиции во внегалактической астрономии. Особенно загадочным казалось Сэндиджу одно обстоятельство. Дело в том, что темп разбегания галактик характеризуют отношением расстояния до галактики к скорости ее удаления от нас. Это отношение называют постоянной Хаббла. Она постоянна в том смысле, что ее средняя величина не зависит ни от направления на галактику, ни от расстояний в мире галактик. На больших расстояниях, превышающих размер ячейки однородности, то есть в области «истинно космологических» масштабов, измеренное значение «глобальной» постоянной Хаббла составляет, по последним данным, полученным американской орбитальной лабораторией WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), S72pm 4S км/с на Мпк. Но измеренная и внутри ячейки однородности, на расстояниях от 4 до 300 Мпк, постоянная Хаббла составляет, по данным (2006 г.) группы Сэндиджа, S64pm 7S км/с на Мпк, то есть допустимые в обоих случаях интервалы значений этой величины перекрываются. Общая картина разбегания галактик выглядит так, как если бы глобальный космологический поток начинался прямо вблизи нас и, простираясь далее чуть не до горизонта мира, сохранял всюду свою кинематическую идентичность. Но как же это может быть?
Таков парадокс, существующий в космологии со времен Хаббла. Через 70 лет после открытий Хаббла, в 1999 году, Сэндидж писал: «Мы так и остаемся с этой тайной».
Местный хаббловский поток
|
По понятным причинам, самый острый интерес вызывает тот удивительный факт, что регулярный хаббловский закон разбегания галактик наблюдается в нашем ближайшем галактическом окружении на расстояниях всего в несколько Мпк. Новейшие данные о движении галактик в области экстремально малых галактических масштабов получены одним из авторов (И.Д. Караченцевым) вместе с его сотрудниками в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН) в кооперации с астрономами США, Германии и Украины. Это результат многолетних тщательных наблюдений около 200 близких галактик, нацеленных на то, чтобы заново и максимально точно определить их скорости и расстояния до них. В работе использовался космический телескоп «Хаббл» (в общей сложности в течение почти двухсот орбитальных периодов) и Большой телескоп САО РАН. Основной вывод состоит в том, что на гораздо большем наблюдательном материале и с более высокой степенью точности, чем это было возможно до сих пор, подтверждено и продемонстрировано существование регулярного потока расширения с хаббловским законом скорости для расстояний до 8 Мпк. Особенно важно было установить, что регулярный поток разбегания галактик начинается в области около 1,5–2 Мпк от нас: начиная с этих расстояний, закон Хаббла уже уверенно прослеживается.
Летом 2000 года другой автор этой статьи (А.Д. Чернин) представил доклад о парадоксе Хаббла–Сэндиджа («Почему хаббловский поток такой спокойный?») на международном космологическом симпозиуме, проходившем в рамках конгресса COSPAR (Committee on Space Research) в Варшаве. В нем было впервые выдвинуто предположение о том, что хаббловским потоком управляет темная энергия. Она имеет всюду идеально однородную плотность, доминирует во Вселенной по энергии и потому контролирует темп разбегания галактик во всех масштабах — от расстояний 1–2 Мпк и до границ видимой Вселенной. Это и есть физическая причина, по которой разбегание галактик оказывается всюду столь спокойным, то есть регулярным, и почти строго следует закону Хаббла. Темная энергия была только что (в 1998–1999 гг.) открыта в наблюдениях очень далеких галактик.
Темная энергия
|
Об открытии темной энергии в космологии теперь уже много написано (см.: Д. Клайн. // ВМН, № 7, 2003; Д. Массер. // ВМН, № 10, 2003; Д. Двейли. // ВМН, № 5, 2004; К. Дрейфус и Л. Кросс. // ВМН, № 11, 2004; Д. Массер. // ВМН, № 7, 2005; А. М. Черепащук и А. Д. Чернин. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003). В 1998–1999 гг. были опубликованы первые данные наблюдений, указывающих на то, что космологическое расширение происходит ускоренно, то есть что скорости взаимного удаления галактик возрастают со временем. Раньше считали, что разбегание галактик может только замедляться под действием всемирного тяготения. Однако ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычными светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей космической средой, в которую погружены все галактики мира. Эта гипотетическая среда — темная энергия.
Физическая природа темной энергии остается пока что неизвестной. По этому поводу, однако, высказано немало интересных гипотез, простейшая из которых (и, похоже, самая вероятная) связывает темную энергию с космологической константой. Эта универсальная константа была введена в космологию и физику Эйнштейном в 1917 году, на заре современной науки. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (а в ней эта константа с самого начала учитывалась) может описывать космологическое расширение не только с замедлением, но и с ускорением. Этот вариант мировой динамики и осуществляется, как оказалось, в реальной Вселенной.
Но какая физика стоит за космологической константой? Сам Эйнштейн не оставил ответа на этот вопрос. По мысли петербургского теоретика Эраста Борисовича Глинера, высказанной еще в 1965 году, космологическая константа описывает вакуум. Этот вакуум — отнюдь не пустота. Его можно представить себе как особую сплошную среду, которая идеально равномерно заполняет всю Вселенную и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Плотность вакуума положительна, а его давление отрицательно. Из-за отрицательного давления и возникает не тяготение, а антитяготение.
Если в такую среду поместить две частицы, то вакуум способен преодолеть их взаимное тяготение и заставить их удаляться друг от друга, притом с ускорением, то есть с возрастающими со временем скоростями. Этот вакуум Эйнштейна—Глинера, вероятнее всего, и управляет динамикой наблюдаемой Вселенной.
|
С открытием вакуума (если темная энергия — это действительно энергия вакуума Эйнштейна—Глинера) Вселенная в целом предстала перед нами более однородной, чем об этом можно было судить ранее только по распределению галактик в ней. Действительно, в наблюдаемом мире доминирует вакуум с его идеально однородной плотностью. По величине эта плотность составляет (в круглых цифрах) 75% полной плотности Вселенной. Таковы данные, известные с 1998–1999 гг. и подтвержденные позднее, в 2003-м и 2006 гг., независимыми наблюдениями, выполненными на уже упомянутом американском космическом аппарате WMAP. Это означает, что «обычное» вещество, из которого состоят галактики (включая и так называемую темную материю, которую не следует путать с темной энергией) заметно уступает вакууму по своей средней (мысленно распределенной по всему пространству) плотности. Соответственно, вакуум вносит подавляющий вклад в полную массу и энергию Вселенной.
Насколько известно, Эйнштейн и его последователи интересовались действием антитяготения на Вселенную в целом и, кажется, не задавались вопросом о его возможных локальных эффектах. Но вакуум Эйнштейна—Глинера присутствует везде в мире, в каждом, можно сказать, кубическом сантиметре его объема. Поэтому благодаря вакууму реальная Вселенная оказывается однородной не только в собственно космологических масштабах 300 Мпк и более. В действительности, она однородна вокруг нас уже на расстояниях в несколько Мпк. Простые оценки показывают, что тяготение Местной группы галактик преобладает на расстояниях только до приблизительно 1,5 Мпк от центра Местной группы. А дальше вплоть до других групп и скоплений галактик почти безраздельно господствует антитяготение космического вакуума. Там, где доминирует темная энергия вакуума, галактики местного хаббловского потока движутся почти как «пробные частицы» на идеально регулярном фоне темной энергии, которая разгоняет их своим антитяготением.
|
Такая картина местного хаббловского потока прямо вытекает из наших наблюдений и описывается разработанной нами компьютерной моделью. В этой работе вместе с авторами этой статьи участвовали Пекка Теерикорпи (Pekka Teerikorpi), Маури Валтонен (Mauri Valtonen) (Университет Турку, Финляндия), Джин Берд (Jean Bird) (Университет Алабамы, США), Юрий Николаевич Ефремов, Валентин Петрович Долгачев, Людмила Михайловна Доможилова (ГАИШ МГУ), Юрий Викторович Барышев (СПбГУ), Дмитрий Игоревич Макаров (САО РАН).
Ключевой момент нашей модели — кинематическая идентичность хаббловского потока на масштабах от нескольких Мпк до самых больших расстояний в мире галактик. Эта загадка, еще недавно ставившая в тупик космологов, теперь разъясняется: везде, где доминирует вакуум с его всюду одинаковой плотностью, темп расширения (характеризуемый постоянной Хаббла) должен быть практически одинаков. Дело в том, что при таких условиях постоянная Хаббла определяется почти исключительно одной только плотностью вакуума. В теоретически мыслимом предельном случае, когда в мире безраздельно царит вакуум, постоянная Хаббла должна быть во всей области масштабов от нас и до края Вселенной строго одинакова. Предельное значение постоянной составляет приблизительно 60 км/сек на Мпк, оно совсем не далеко от величин, получаемых в реальных астрономических наблюдениях.
Стоит отметить, что Сэндидж и его коллеги поддержали наши результаты, заявив, что «у идеи вакуума в настоящее время нет жизнеспособных альтернатив». Развитая нами теоретическая модель была позднее подтверждена также обширными независимыми вычислениями, проделанными международной группой астрономов под руководством Фабио Говернато (Университет Сиэтла, США). Наша модель хорошо согласуется также с общей картиной формирования космических структур в масштабе нескольких Мпк, развиваемой группой Дж. Острайкера (Принстонский университет, США).
Теперь стало очевидным, что космология начинается не с сотен мегапарсек, а всего в нескольких мегапарсеках от нас. И всё это из-за преобладания вакуума как по Вселенной в целом, так и в отдельных ее объемах, подобных нашему местному. Новый взгляд на космологию подсказывает разгадку тайны, которая долгие годы существовала в науке о Вселенной. Удивительно, но факт: только с обнаружением темной энергии стали по-настоящему ясны реальное космологическое значение и истинный физический смысл открытия, сделанного Хабблом в 1929 году.
|
|
Но на эти результаты можно взглянуть также и с другой стороны. Действительно, кинематику местного хаббловского потока, изученную нами с помощью высокоточных наблюдений и новой теории, нужно считать теперь прямым свидетельством того, что темная энергия существует не только на огромных космологических расстояниях, где она была впервые обнаружена, но и фактически повсюду во Вселенной, везде, где наблюдается регулярное хаббловское разбегание галактик. Отсюда вытекает, что такую важную физическую величину, как плотность темной энергии, можно оценить по измеренному значению постоянной Хаббла. Более того, возможна и еще одна независимая оценка той же величины: она следует из нашей теории и численно дается комбинацией двух наблюдаемых величин — массы Местной группы галактик (около 1,5 трлн масс Солнца) и расстояния (примерно 1,5 Мпк), начиная с которого разбегание галактик обнаруживает регулярный хаббловский характер. Наши оценки находятся в полном согласии друг с другом и с глобальными данными, полученными в 1998–1999 гг. при наблюдениях далеких галактик. Это означает, что темная энергия является универсальным феноменом природы, а создаваемое ею антитяготение оказывается всемирным в том же смысле, что и ньютоново всемирное тяготение.
Исследования темной энергии разворачиваются в наши дни широким фронтом. Инструментом, подаренным нам для этих целей самой природой, служит весь мир галактик — от границ наблюдаемой Вселенной до близких окрестностей Млечного пути.
Дополнительная литература:
1. Черепащук А.М.,
Чернин А.Д. Горизонты Вселенной. Новосибирск, СО РАН,
2005.
2. Тропп Э.А., Френкель В.Я., Чернин А.Д.
Александр Александрович Фридман. Жизнь и деятельность. М.: Наука,
1988; Эдиториал УРСС, 2006.
3. Новиков И.Д., Шаров А.С.
Эдвин Хаббл. М.: Наука, 1989.
Ефремов Ю.Н. Вглубь Вселенной.
Звезды, галактики и мироздание. М.: Эдиториал УРСС, 2004.
4.
Ефремов Ю.Н. Звездные острова. Галактики звезд и Вселенная
галактик. Фрязино: Век-2, 2005.
5. Черепащук А.М.,
Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2,
2003.
(3)