Судьба расширяюшейся Вселенной

До недавних пор (1997-1999) считалось, что варианты будущего Вселенной исчерпываются тремя сценариями (п. 5.1.1), по каждому из которых расширение Вселенной должно замедляться. Суть стандартной космологической модели заключается в том, что при наличии инфляционного этапа предпочтительным будет третий сценарий: пространство-время евклидово (что подтверждается исследованиями реликтового излучения, и. 5.1.3), расширение Вселенной останавливается, но в бесконечно удаленный момент времени.

С течением времени, однако, становилось все сложнее согласовывать стандартную модель с астрономическими наблюдениями. Если расширение Вселенной замедляется, то вышеприведенная оценка ее возраста (с. 206) завышена: если в прошлом галактики разбегались быстрее, им надо было меньше времени, чтобы занять современные положения. Более точные расчеты в рамках стандартной модели дают возраст Вселенной не больше 10 млрд лет. Но астрономам известны шаровые скопления звезд, возраст которых по всем признакам не меньше 10-12 млрд лет. Лаже Солнечная система, которая относится к поздним космическим образованиям (прежде чем она возникла, должны были возникнуть, прогореть и взорваться звезды первого поколения), начала формироваться не позже чем 5 млрд лет назад.

Вопросов добавили исследования далеких Сверхновых, расстояния до которых исчисляются миллиардами световых лет. Пока их свет летел к Земле, Вселенная успела заметно состариться, что наложило отпечаток на его свойства, регистрируемые телескопами. Эти свойства, как оказалось, согласуются с предположением, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется ‘.

Гипотеза ускоряющегося расширения, в пользу которой свидетельствует и целый ряд других астрономических исследований последних лет, снимает вопрос о недостаточной зрелости Вселенной. Если в прошлом галактики разбегались медленнее, то, чтобы попасть в современные положения, им требовалось больше времени, чем дает оценка (с. 206). Возраст Вселенной в 13-15 млрд лет устраняет все противоречия между космологией и космогонией.

Если подтвердится, что Вселенная расширяется с ускорением (а самые последние данные наблюдений, полученные уже в XXI в., подтверждают это), то, значит, Эйнштейн был отчасти прав: «пустое» пространство, вакуум, обладает энергией, благодаря которой возникает отталкивающая гравитационная сила[1] [2]. Существует и альтернативная, но похожая гипотеза[3], что энергия, равномерно распределенная в пространстве и приводящая к космологической антигравитации, — это энергия некоторого поля («квинтэссенции»), не обнаруженного до сих пор потому, что оно очень слабо взаимодействует с обычной материей. Эмпирических данных, которые позволяли бы отдать предпочтение одной из этих гипотез, пока что нет. Поэтому космологи предпочитают употреблять термин «темная энергия», под которым можно понимать и энергию вакуума, и энергию гипотетической «квинтэссенции» — главное, что и та и другая распределены в пространстве равномерно. Для определенности в дальнейшем мы будем говорить о вакууме, свойства которого изучены лучше.

Пояснить, почему существование «темной энергии» приводит к отталкиванию, можно с помощью следующей, довольно грубой аналогии. Если бы у Земли внезапно исчезла атмосфера, вес всех предметов на ней немного увеличился бы, поскольку исчезает архимедова выталкивающая сила, действующая на все тела, погруженные в воздух. Если предмет погрузить не в воздух, а в воду, обладающую большей плотностью (1000 кг/м3 против 1,2 кг/м3 у воздуха), то и потеря веса будет соответственно больше. Среда, в которой находится тело, как бы противодействует силе притяжения Земли, и тем сильнее, чем больше масса самой среды, приходящаяся на единицу объема. Аналогично, если все тела во Вселенной погружены в некоторую материальную среду (вакуум или «квинтэссенцию»), обладающую ненулевой энергией, а следовательно, и массой (п. 2.5.5), то сила гравитационного притяжения между ними уменьшается, что воспринимается как наличие, помимо всемирного тяготения, еще и противодействующего ему всемирного отталкивания.

Оценки, основанные на известных астрономам фактах, говорят, что плотность энергии вакуума в настоящую эпоху может быть сравнима или несколько превосходить среднюю плотность энергии вещества. А это означает, что мы живем на переломе космологических эпох. Дело в том, что плотность вещества но мере расширения Вселенной падает: увеличение размеров вдвое приводит к уменьшению плотности в восемь раз. Вакуум же — он и есть вакуум: его средняя энергия в расчете на единицу объема остается постоянной. Таким образом, в будущем во Вселенной будет преобладать энергия вакуума, приводя ко все убыстряющемуся расширению. В прошлом же преобладала энергия вещества. Поэтому стандартная инфляционная модель оказывается приближенно верной для прошлого Вселенной — тем более верной, чем ближе к Большому взрыву.

  • [1] Hogan C.J., Kirshner R. Р, Suntzeff N. В. Surveying space-time with supernovae // Scientific American. 1999. № 1. P. 28-33.
  • [2] Krauss L. M. Cosmological Antigravity // Scientific American. 1999. № 1. P. 34-41.
  • [3] OstrikerJ. P, Steinhardt P. J. The Quintessential Universe // Scientific American. 2001.№ 1. P. 36-43.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >