Проблема темной материи и темной энергии

Кто хочет блаженства в этом мире, тот пусть займется торговлей, а кто хочет блаженствовать в том мире, тот пусть ищет воздержания и благочестия. Кто хочет блаженства обоих миров — пусть ищет его в учении и знании.

Пророк Мухаммад

В последнее время в космологии — науке, изучающей структуру, происхождение и эволюцию Вселенной, — стали широко применяться термины «темная материя» и «темная энергия». По данным наблюдений, эти две субстанции составляют около 95 % полной плотности материи Вселенной.

Гипотеза о темной материи возникла в 1931 г., когда швейцарский ученый Фриц Цвикки пересчитал все галактики в одном скоплении и по их светимости оценил их общую массу. Затем по красному смещению спектральных линий он определил разброс скоростей движения галактик. Он обнаружил, что скорости у них слишком велики, а найденного по светимости количества материи для этого явно недостаточно. Гравитационное поле, порожденное такой массой, не должно было удержать галактики в скоплении.

Цвикки выдвинул смелую гипотезу: в больших скоплениях галактик присутствует невидимая, скрытая масса, которая и удерживает галактики.

В 1932 г. датский ученый Ян Оорт изложил свои исследования динамики звезд нашей Галактики. Он вычислил, что гравитационное поле, создаваемое при учете массы всех известных к тому времени типов звезд в Галактике, а также вклада, вносимого межзвездным газом и пылью, недостаточно для удержания звезд внутри Галактики. Суммарная масса видимой материи оказалась меньше ожидаемой. Она составляла 30—50 % от значения, необходимого для того, чтобы звезды не покинули пределы Галактики. Повторные вычисления, проведенные им в 1960 г., также подтвердили этот результат.

Экспериментальные измерения кривых вращения звезд в Галактике, проведенные в 1970-х гг. Верой Рубин, показали, что скорости вращения звезд к краю диска не только не уменьшаются, как раньше считали, но даже заметно возрастают.

Это могло означать одно — Галактика окружена гало (оболочкой, короной) из несветящейся материи. Невидимое вещество гало своим гравитационным полем не даст звездам покинуть Галактику и тем самым спасает ее от распада. Без этой невидимой массы Галактика непременно распадается.

На сегодняшний день кривые вращения — самое убедительное свидетельство в пользу существования темной материи во Вселенной. Спрашивается: что это за материя и почему не видна? Очевидно только основное ее свойство: она создает гравитационное поле (имеет массу), но не излучает (или почти не излучает) электромагнитных волн.

Существование темной материи подтверждается не только вышеописанным космологическим тестом, но и целым рядом других фактов наблюдательной астрономии. К ним можно отнести некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри сверхскоплений. Фундаментальное значение имеет то обстоятельство, что скорость движения объектов внутри гравитационно связанной системы определяется величиной гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например, если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их пространственное распределение, то сможем восстановить величину гравитационного поля и теоретически предсказать скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном поле.

Измерения скоростей, количества и распределения звезд в галактике являются независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом. Эта несогласованность имеет место на всех уровнях космологических структур, начиная с галактик. На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой точностью и в лабораторных экспериментах, и на уровне планетных систем, то нет оснований предполагать, что в масштабах галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у нас остается только один способ разрешения парадокса — предположить, что половина вещества Галактики находится в невидимом состоянии, т. е. состоит из таких частиц, которые не могут излучать фотоны (название «темная материя» как раз и отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами) [9].

Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества составляет уже около 90 %, на уровне сверхскоплений — более 95 %, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3 до 5 % (рис. 6.3). Это означает, что в действительности мы не знаем, из чего состоит Вселенная. На известные энергоносители приходится несколько процентов массы и энергии Вселенной. Нам известна лишь общая закономерность: чем меньше масштаб структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не входит). Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная материя: в самых больших структурах — в сверхскоплениях галактик — обычное вещество — лишь слегка заметная (по массе) компонента, распыленная по громадному облаку материи неизвестной природы.

Распределение материи Вселенной по современным научным представлениям

Рис. 6.3. Распределение материи Вселенной по современным научным представлениям

Темная материя — это совокупность невидимых объектов во Вселенной, которые можно зафиксировать только по гравитационным аномалиям. Она присутствует в галактиках и их скоплениях, способна сгущаться.

Темная материя, по-видимому, состоит из новых, неизвестных частиц. Эти частицы должны быть стабильными или иметь время жизни, сравнимое с возрастом современной Вселенной, t ~ 13,7 млрд лет. Таких частиц нет в Стандартной модели, так что уже само представление о темной материи требует выхода за ее рамки. Частицы темной материи имеют те же свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и обычные частицы: они способны собираться в сгустки (галогалактики и галактические скопления) и формировать гравитационные потенциалы. Исключительно велика роль темной материи в формировании структур во Вселенной — галактик, их скоплений и т. д. Из результатов исследования этих структур, как и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового реликтового излучения, следует, что частицы темной материи были нерелятивистскими уже на весьма ранних этапах эволюции Вселенной, что, скорее всего, связано с достаточно большой величиной их массы. В то же время частицы темной материи не имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, иначе они были бы уже зарегистрированы в экспериментах по их прямому поиску.

Проблема установления физической природы темной материи является, по-видимому, самой актуальной проблемой теоретической и экспериментальной космологии. Эта проблема очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать, решение надо искать в физике вакуума и элементарных частиц. Существующая теория элементарных частиц — Стандартная модель — справляется с этой задачей. Сохранить Стандартную модель можно только в рамках гипотезы, что темная материя имеет все- таки барионную природу, например находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надежных результатов теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза. В согласии с данными о химическом составе во Вселенной находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.

Первый шаг за пределы Стандартной модели, непосредственно связанный с проблемой темной материи, — это обращение к гипотезе массивных нейтрино. Предполагая существование малой, но отличной от нуля массы нейтрино, мы тем не менее сохраняем все предсказания Стандартной модели относительно свойств взаимодействия нейтрино друг с другом и с другими частицами.

Однако гипотеза о том, что масса темной материи полностью содержится в массивных нейтрино, уже сегодня вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре Вселенной. По-видимому, она состоит из суперсимметричных тяжелых частиц в 100 и даже в 1000 раз тяжелее протона.

Продолжая искать объяснение природы темной материи среди новых частиц, необходимо сразу указать три условия, которым такие частицы должны удовлетворять:

  • 1) частицы, составляющие темную материю, слабо взаимодействуют с известными частицами;
  • 2) массы новых частиц очень велики (десятки и сотни гигаэлек- тронвольт);
  • 3) эти частицы стабильны, по крайней мере время их жизни не меньше возраста Вселенной.

Другой путь основан на поиске вакуумных структур, способных исполнять роль темной материи. На этом пути физиками сделаны лишь первые шаги. Постараемся пояснить суть этого подхода, обратившись прежде всего к свойствам хиггсовского конденсата. Происхождение и природа хиггсовского конденсата связаны с регулярной деформацией слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям. Эта деформация осуществляется физическим полем специфической природы, которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других полей это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемый конденсатный компонент, который образно можно представить как однородную «жидкость», разлитую по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны) являются возбуждением этой «жидкости», а сама однородная «жидкость» соответствует основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией. Природа темной материи — может быть, одна из главных загадок физики XXI в. Пути ее исследования — это возможная регистрация частиц, входящих в ее состав [9].

В 1998 г. астрономы смогли получить кривую блеска для сверхновой, взорвавшейся в очень далекой галактике. Определенное по максимуму светимости расстояние до этой галактики оказалось заметно больше того, что можно ожидать при свободном разлете вещества после Большого взрыва согласно модели Фридмана. Звезда в момент максимальной светимости выглядела более тусклой. Это означает лишь одно: Вселенная расширяется с ускорением. Темп расширения Вселенной со временем растет, и сейчас он выше, чем в далеком прошлом.

Всякое ускоренное движение происходит под действием некоторой силы. Силу, под действием которой ппроисходит расширение Вселенной, называют темной энергией, однако никто не может объяснить, что скрывается за этим понятием.

Если бы Стандартная модель исчерпывающим образом описывала мир элементарных частиц, то основными носителями массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы пренебрежимо малая часть общей массы и энергии Вселенной. Подавляющая часть барионной компоненты мира, очевидно, собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать звезды и измерить их массы в некотором доступном участке Вселенной (содержащем тем не менее много галактик), разделить полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества согласно уравнениям Эйнштейна определяет скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла).

Далее остается сравнить экспериментально найденное значение плотности с величиной экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в правильности наших представлений о мире. Но именно здесь нас и поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные совершенно не согласуются друг с другом. Следовательно, должны существовать некоторые дополнительные носители энергии, ускользающие от прямых астрономических наблюдений в оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки, природа которых до сих пор неизвестна, и получили название темной энергии.

Введение в научный обиход представления о существования в природе темной энергии — слабовзаимодействующей физической субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной, — явилось сенсацией номер один в физике на рубеже XX— XXI вв. и стало неожиданностью для большинства исследователей, в особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что известные энергетические масштабы, характерные для фундаментальных взаимодействий, составляют величины порядка 1 ГэВ (сильные взаимодействия), 100 ГэВ (электро- слабые взаимодействия) и 1019ГэВ (гравитационные взаимодействия), и не было никаких оснований думать, что в природе имеется еще один, гораздо меньший масштаб энергий. Однако оказалось, что темная энергия характеризуется масштабом Ev ~ 10-8 эВ, опре-

Е

деляемым тем, что плотность темной энергии равна pv = —.

Темная энергия равномерно распределена во Вселенной — ее плотность в скоплениях такая же, как и вне их. Значит, она не связана ни с обычным веществом, ни с темной материей, которая собирается в тех же крупномасштабных структурах, что и вещество обычное — барионное. Темная энергия — эта непонятная субстанция — как бы расталкивает саму себя и заставляет галактики разлетаться с большей скоростью.

Существует два варианта объяснения сущности темной энергии:

  • 1) темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами: постулируется ненулевая энергия вакуума);
  • 2) темная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для темной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

Темная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.

Признание темной энергии расставило все точки над i в наблюдательной космологии. Впервые за все время развития науки появилась стандартная космологическая модель, удовлетворяющая всей совокупности наблюдательных данных и не имеющая сегодня серьезных конкурентов. Замечательно, что эта модель прекрасно описывает как эволюцию Вселенной в целом, так и образование ее структуры. Несмотря на влияние темной энергии, генерация структуры все еще происходит в современной Вселенной и будет продолжаться в течение около 10 млрд лет.

В то же время признание факта существования темной энергии качественно изменило ситуацию в физике, указав на недостаточность наших знаний о микромире. Не будет преувеличением сказать, что выяснение физической природы темной энергии — это центральная проблема современного естествознания.

Одним из неожиданных результатов, полученных за последние десятилетия, стало выяснение того факта, что известные частицы (протоны, нейтроны, ядра, электроны, фотоны и нейтрино) обеспечивают всего около 5 % полной энергии в современной Вселенной. Большая часть материи связана с темным веществом (20—25 %) и темной энергией (70—75 %) (см. рис. 6.3). Эти формы энергии существенно различаются по своему поведению в расширяющейся Вселенной и имеют совершенно различные возможные интерпретации с точки зрения физики частиц.

В отличие от темной материи темная энергия равномерно «разлита» во Вселенной. Она обладает необыкновенными свойствами. Наблюдения свидетельствуют: Вселенная сегодня расширяется с ускорением, а это значит, что темная энергия испытывает антигравитацию. Для описания антигравитации А. Эйнштейн специально ввел в общую теорию относительности новую константу, которая называется космологической постоянной. Конечно, эта была гипотеза, и притом весьма смелая. Величина же космологической постоянной не выводилась из какой-либо теории, а подлежала наблюдательному определению.

Физическая интерпретация космологической постоянной складывалась постепенно, десятилетие за десятилетием, начиная с работ В. де Ситтера, Ж. Леметра, Р. Толмена, Г. Бонди. Сейчас считается общепринятым, что космологическая постоянная описывает космический вакуум, т. е. такое состояние космической энергии, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью — и притом в любой системе отсчета. По этим свойствам вакуум принципиально отличается от всех других форм космической энергии, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со временем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета. Если оставить в стороне представление о статичности Вселенной, то гипотеза Эйнштейна была в действительности предположением о существовании в мире космического вакуума. И это предположение наконец подтвердилось в астрономических наблюдениях. По наблюдательным данным о сверхновых звездах, плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии.

Вакуум обладает не только определенной плотностью энергии, но также и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью, т. е. уравнение состояния, имеет для вакуума вид pv = /(-pv). Это — и только это — уравнение состояния совместимо с определением вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета. Это открытие изменяет в первую очередь наше понимание современной стадии космологической эволюции, нынешнего состояния Вселенной. Прежде считалось, что вся история космологического расширения — это история его затухания после первоначального Большого взрыва. Сейчас оказывается, что как раз в нашу эпоху динамика расширения перешла со стадии замедления к новой стадии ускорения.

Лишь немного уступает вакууму по плотности темное вещество. Темное вещество не излучает ни света, ни других электромагнитных волн и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или гало, вокруг звездного диска Млечного Пути. Подобные темные гало имеются, по- видимому, у всех достаточно массивных изолированных галактик. Темное вещество содержится также в группах галактик и в самых больших космических системах — скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактике, темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более полной массы всех этих систем. Оно проявляется только благодаря создаваемому им тяготению, и именно по своему гравитационному эффекту.

Гравитационные свойства темной энергии сильно отличаются от свойств других форм энергии. Темная энергия не собирается в сгустки, а, как уже сказано выше, она равномерно «разлита» во Вселенной. Плотность темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется со временем, в то время как плотность любых частиц относительно быстро уменьшается из-за расширения Вселенной.

Действительно, если плотность энергии постоянна или почти постоянна во времени, то при расширении Вселенной энергия (в сопутствующем объеме) растет как объем, так что давление должно быть отрицательным и равным или почти равным по абсолютной величине плотности энергии.

Возможные формы темной энергии и их проявление в космологических наблюдениях обсуждаются сейчас очень широко. Одна из возможностей состоит в том, что темная энергия — это энергия вакуума (или космологическая постоянная). Как уже сказано выше, вакуум явился в космологию с эйнштейновской космологической постоянной Л, и его плотность выражается через значение этой постоянной: pv= A/(87iG), где G — гравитационная постоянная Ньютона.

В середине 1960-х гг. Э. Б. Глинер предложил «материальную» интерпретацию космологической постоянной; он показал, что идея Эйнштейна эквивалентна предположению о существовании во Вселенной идеально однородной макроскопической среды с плотностью pv. Среда со столь необычным уравнением состояния не похожа ни на какие «нормальные» жидкости или газы. Следуя Глинеру, перечислим ее важнейшие особые свойства.

  • 1. Эта среда не может служить системой отсчета. Если имеются системы отсчета, движущиеся относительно друг друга с некоторой ненулевой скоростью, то такая среда будет сопутствовать и той и другой. Следовательно, движение и покой относительно такой среды неразличимы. Но в этом состоит основное механическое свойство вакуума. Таким образом эта среда является вакуумом.
  • 2. Среда является неизменной и «вечной». Ее энергия представляет собой абсолютный и постоянный во времени минимум энергии, содержащийся в мировом пространстве. Это еще одно обязательное свойство вакуума.
  • 3. Среда с таким давлением создаст не тяготение, а антитяготение. Всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, отдалить их друг от друга. Если поместить в вакуум две пробные частицы, в начальный момент покоящиеся относительно друг друга, то вакуум заставит их затем удаляться друг от друга.
  • 4. Говоря на языке ньютоновской физики, вакуум создает силу, но сам не подвержен (как макроскопическая среда) воздействию ни внешних сил тяготения, ни собственного антитяготения.

Имеются основания считать, что введенная астрономами темная энергия — это и есть энергия вакуума. Окончательное доказательство еще предстоит найти, но совокупность всех наблюдательных данных о темной энергии, полученных начиная с 1998—1999 гг., полностью согласуется с такой возможностью.

Если поток расширения обязан своим происхождением, как полагают вслед за Глинером, первичному вакууму Вселенной, то его плотность была изначально исключительно высока, превышая его измеренную сейчас плотность на множество порядков величин. Из- за этого вакуум и сам был способен изменяться, эволюционировать, порождая при этом «обычное» вещество, невакуумные формы космической энергии. Эта эволюция первичного вакуума завершилась в первые пикосекунды существования мира, оставив после себя многокомпонентную космическую среду, в которой вакуум и невакуумные энергии оказались в итоге согласованными друг с другом, симметричными по отношению друг к другу.

Главный итог космологических исследований последних лет таков: существование темной энергии и создаваемого ею антитяготения надежно и теперь уже окончательно доказано. Постепенно усиливаются объективные свидетельства в пользу эйнштейновской космологической постоянной Л и представления о темной энергии как о вакууме Эйнштейна — Глинера. Это заключение можно вывести из всей совокупности новейших результатов, отраженных в обширном потоке космологической литературы.

В 1967 г. Я. Б. Зельдович выдвинул предположение о том, что сумма вакуумных энергий (формально бесконечных) всех полей и частиц могла бы каким-то образом обеспечить конечное и притом малое значение плотности космического вакуума. Учитывалось, что вакуум фермионов и вакуум бозонов имеют разные знаки энергии и они в принципе могли бы полностью погасить друг друга, если в природе имеется строгая симметрия между бозонами и фермионами (которая в дальнейшем получила название суперсимметрии). Тогда в итоге получится нулевая суммарная плотность космического вакуума всех полей. Но такая симметрия не обязательно должна быть абсолютно строгой, она может быть слабо нарушенной. Поэтому компенсация энергий не обязательно будет полной и в результате возникает неисчезающая малая разность двух вакуумных энергий, каждая из которых формально бесконечна. В последнем случае возможно, по мысли Зельдовича, отождествление двух ваку- умов — квантового и того, который описывается космологической постоянной. Эту исключительно привлекательную идею до сих пор не удалось ни доказать, ни опровергнуть [2].

Эти открытия привели к решительной смене физической картины мира, к совершенно новому пониманию того, что представляет собой современная нам Вселенная. Как оказалось, в ней господствует космический вакуум.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >