Удивительная космология - Лев Шильник

А вот движение звезд в спиральных галактиках по непонятной причине этому непреложному закону не подчиняется. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной величиной. Как разрешить эту малоприятную ситуацию? Положа руку на сердце, выбор у нас невелик. Одно из двух: либо массы галактик оцениваются неверно, либо законы Ньютона не универсальны и могут при определенных условиях нарушаться. Второй вариант выглядит слишком экстравагантно и большинством ученых всерьез не рассматривается, хотя отдельные еретики от физики допускают такую возможность. Скажем, израильтянин М. Мильгром сравнительно недавно предложил гипотезу, получившую название модифицированной ньютоновой динамики (МОНД). Согласно этой гипотезе, движение звезд, облаков межзвездного газа и других объектов во внешних слоях спиральных галактик подчиняется не закону Ньютона, а более общему закону, куда ньютонова механика входит как частный случай. Ускоренное движение звезд объясняется тем, что на больших расстояниях от галактического центра обычный закон Ньютона не выполняется, поскольку сила тяготения приобретает иную величину.

Тем не менее большинство специалистов точку зрения Мильгрома не разделяют. Модифицированная динамика не только грешит множеством откровенных натяжек, но и плохо согласуется с данными наблюдательной астрономии (так, она не в силах объяснить характер движения вещества в скоплениях галактик). Поэтому почти все астрофизики склонны объяснять аномалии в движении звезд присутствием невидимой (темной) материи, которая подобно огромному сферическому облаку окутывает каждую галактику. Расчеты показывают, что в случае нашей галактики диаметр такого гало должен быть не менее 300 тысяч световых лет, то есть в три раза превосходит диаметр Млечного Пути.

Но какова все-таки физическая природа этой необычной субстанции, на долю которой, как мы помним, приходится 25 %, – в шесть с лишним раз больше, чем обычного вещества, излучающего свет? Во-первых, кандидатами на роль носителей скрытой массы могут быть компактные тела, так называемые массивные астрофизические компактные объекты в гало Галактики – Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO). К числу таких темных образований относятся черные дыры, коричневые карлики, старые нейтронные звезды, облака из слабо взаимодействующих частиц и, возможно, белые карлики. Все они не должны светиться, в противном случае их бы давным-давно обнаружили. Коричневые карлики – это нечто среднее между газовыми планетами-гигантами и небольшими легкими звездами. Масса такого объекта не должна превышать 10 % массы Солнца, иначе внутри него вспыхнут термоядерные реакции, которые приведут к излучению света. Черные дыры и нейтронные звезды, претендующие на роль компактных объектов, тоже должны удовлетворять определенным условиям. Первые не имеют права быть слишком массивными, поскольку излучение от падающего на них вещества немедленно выдаст их с головой, а вторые должны иметь весьма солидный возраст, так как только старые нейтронные звезды практически не излучают и потому невидимы.

Под действием сил гравитации темная материя распределяется неравномерно, попросту говоря, скучивается, подобно обычной материи, и астрономы изучают характер этого распределения различными методами – по кривым вращения галактик, их крупномасштабной структуре, гравитационному линзированию и так далее. Под последним понимается возникновение ложных изображений, так как поля тяготения скрытой массы искажают траекторию движения света от далеких источников. Однако наблюдения показывают, что одних только компактных объектов явно недостаточно для успешного разрешения проблемы темной материи. Поэтому физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, полагают, что феномен скрытой массы связан в первую очередь с так называемыми WIMP – Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти гипотетические частицы пока не обнаружены, и то обстоятельство, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом, создает большие трудности для доказательства их существования. Такие частицы иногда называют холодной, или нерелятивистской, темной материей, поскольку они движутся со скоростями, много меньшими, чем скорость света. Однако их неторопливость с лихвой искупается весьма приличной весомостью, ибо масса слабо взаимодействующих частиц в 1000 и более раз превосходит массу атома водорода.

Кстати, помимо холодной, во Вселенной присутствует и горячая темная материя в виде реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя, но их вклад в полную гравитационную массу-энергию не превышает полутора процентов. Как мы видим, работы у астрофизиков еще непочатый край, но сомневаться в реальном существовании темной материи сегодня уже не приходится, поскольку именно она вносит основной вклад в массу галактик.

Но еще более загадочными свойствами обладает темная энергия, на долю которой приходится 71 % полной массы-энергии Вселенной. В отличие от скрытой массы, она не скучивается под действием гравитации, но строго равномерно и однородно заполняет все пространство Вселенной, подобно идеальной сплошной среде, и всюду и всегда имеет постоянную плотность. Гипотеза темной энергии (которая, строго говоря, стала в наши дни полноправной теорией) появилась в 1998 году, когда две международные группы астрономов сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Этот фундаментальный факт, значение которого трудно переоценить, был установлен при наблюдениях за далекими сверхновыми звездами определенного типа (типа Ia). Такие сверхновые имеют исключительно высокую светимость, сопоставимую со светимостью целых галактик, в которых они вспыхивают, а потому хорошо видны на межгалактических расстояниях.

Кроме того, уникальной особенностью сверхновых типа Ia является тот факт, что их собственная светимость в максимуме блеска лежит в очень узких пределах. Другими словами, мощность излучения звезд этого типа практически идентична, и потому их принято называть «стандартными свечами». Из школьного курса физики известно, что поток светового излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Таким образом, измеряя на Земле блеск сверхновой, вспыхнувшей в далекой галактике, и сравнивая его с реальной собственной светимостью источника (которая известна), можно вычислить расстояние до объекта. Особенно важны вспышки сверхновых типа Ia в очень далеких галактиках, поскольку становятся значимыми космологические эффекты и можно не только определить постоянную Хаббла, но и измерить параметр плотности Вселенной, то есть установить ее геометрию.

Наблюдательные данные по сверхновым типа Ia, накопленные к настоящему времени, позволяют с вероятностью 99 % утверждать, что Вселенная расширяется ускоренно. Причем весьма любопытно, что режим стандартного хаббловского расширения поменялся не вчера и не сегодня, а по крайней мере несколько миллиардов лет назад. Точную дату назвать трудно, но если верить архивным фотоснимкам звездного неба, наиболее удаленная от нас «стандартная свеча» горит на расстоянии в 10 миллиардов световых лет от планеты Земля. Ее светимость идеально вписывается в параметры фридмановской модели, из чего следует заключить, что еще 10 миллиардов лет тому назад Вселенная продолжала расширяться классически – в полном соответствии с законом Хаббла. Однако характер блеска более молодых сверхновых не позволяет усомниться в том, что 7–8 миллиардов лет назад темная энергия возобладала над силами гравитации и Вселенная стала расширяться быстрее.

Складывается впечатление, что динамикой мироздания управляет некое «распирающее» поле. Пока объем Вселенной сравнительно невелик, гравитация эффективно противодействуют расширению пространства, но рано или поздно наступает такой момент, когда плотность вещества падает ниже некоторой критической величины и поле, плотность которого со временем не меняется, начинает все энергичнее раздувать пространство. Более того, темп расширения оказывается в точности таким, что заставляет вспомнить пресловутую «лямбду», космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности еще в 1917 году. Вселенная Эйнштейна была статичной, и лямбда-член понадобился ему для того, чтобы уравновесить стягивающую силу гравитации универсальным космологическим отталкиванием: в противном случае вся материя должна неминуемо собраться в кучу. Сам Эйнштейн свою «лямбду» терпеть не мог и впоследствии называл введение лямбда-члена «самой большой ошибкой жизни». Однако после того как в 1922–1924 годах ленинградский математик А. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна, а американский астроном Эдвин Хаббл в 1929-м обнаружил красное смещение в спектрах далеких галактик, стало ясно, что Вселенная с момента своего рождения непрерывно эволюционирует, и про неудобную «лямбду» благополучно забыли. Забвение растянулось больше чем на 40 лет, и только на рубеже 60—70-х годов прошлого века о космологической постоянной заговорили снова. Из работ отечественных физиков-теоретиков Э. Б. Глинера, А. А. Старобинского, Я. Б. Зельдовича и некоторых других следовало, что вакуум может обладать ненулевой энергией. В этом случае гипотеза космологической постоянной эквивалентна представлению об идеально однородной среде, равномерно заполняющей всю Вселенную. Свойства такой среды весьма необычны: ее давление выражается отрицательной величиной, а плотность неизменна во времени и пространстве. А коль скоро давление отрицательно, то при постоянной плотности оно будет создавать антигравитационный эффект, ускоряя расширение Вселенной. Поэтому вполне вероятно, что темная энергия есть не что иное, как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением.