v.a.rubakov.-temnaya-energiya-vo-vselennoy (810759), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Многие (хотя и далеко не все)физики никак не могли воспринять всерьез возможность того, что темная энергиядействительно существует, и считали пространственную кривизну "меньшим из зол".Вопрос, как обычно, был решен экспериментом.1.3 Вселенная расширяется с ускорениемПерелом наступил в 1998 - 1999 годах, когда две группы из США, одна подруководством А. Райсса и Б. Шмидта, а другая - С. Перлмуттера, сообщили о результатахнаблюдений удаленных сверхновых типа 1а. Из этих наблюдений следовало, что нашаВселенная расширяется с ускорением. Такое свойство вполне согласуется спредставлением о темной энергии, в то время как неевклидовость пространства кускоренному расширению не приводит.
Тем самым был сделан однозначный выбор впользу темной энергии, а гипотеза о неевклидовом трехмерном пространстве былаотвергнута (мы еще ненадолго вернемся к ней).Несколько слов о сверхновых типа 1а. Это — термоядерные взрывы, которыми заканчивается жизнь некоторых типов звезд. Детальное теоретическое описание этихвзрывов до сих пор отсутствует, но на основании наблюдений ближних сверхновых былиустановлены эмпирические закономерности, позволяющие установить их абсолютнуюсветимость, то есть определить энергию, которую они излучают в процессе довольнокороткой вспышки.
Иными словами, сверхновые типа 1а представляют собой"стандартные свечи": зная абсолютную светимость и измеряя видимую яркость (потокэнергии, приходящий на Землю), можно определить расстояние до каждой из них — чембольше расстояние, тем меньше видимая яркость.
Одновременно можно установить искорость удаления от нас каждой из сверхновых (используя эффект Допплера).Сверхновые — очень яркие объекты, их видно на огромных расстояниях. Иначе говоря,удаленные сверхновые, которые мы наблюдаем сейчас, взорвались давным-давно, ипоэтому скорость их убегания определялась темпом расширения Вселенной тогда, вдалеком прошлом. Тем самым наблюдения сверхновых типа 1а позволяют опеределитьтемп расширения на сравнительно ранних этапах эволюции Вселенной (7 миллиардов летназад и даже несколько раньше) и проследить зависимость этого темпа от времени.Именно это и дало возможность установить, что Вселенная расширяется с ускорением.1.4 Пространство — евклидовоОкончательное доказательство того, что неевклидовость трехмерногопространства, если она и есть, не играет сколько-нибудь существенной роли врасширении Вселенной, было получено путем измерения свойств реликтового излучения.Реликтовое излучение, пронизывающее сегодня нашу Вселенную, было испущено надовольно ранней стадии космологической эволюции.
Дело в том, что Вселенная впрошлом была гораздо более плотной и горячей, чем сейчас. В процессе расширения онастала более разреженной и остыла; современная температура реликтового излучениясоставляет 2.725 градусов Кельвина.На ранних стадиях вещество в горячей Вселенной было в состоянии плазмы —протоны сами по себе, электроны сами по себе. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения, фотоны все время рассеиваются, поглощаются, излучаются элек-5тронами. Когда Вселенная остыла примерно до 3000 градусов, электроны и протоныдовольно быстро объединились в атомы водорода, и вещество стало прозрачным дляфотонов (рис. 3). Эпоха перехода вещества из плазменного в газообразное состояние иявляется плохой последнего излучения реликтовых фотонов (точнее было бы говорить опоследнем рассеянии, но для нас эта тонкость несущественна).
В это время возрастВселенной составлял 300 тысяч лет (современный возраст — 13,7 миллиардов лет). С техпор фотоны распространяются по Вселенной свободно, их длина волны увеличивается изза растяжения пространства, и сегодня эти реликтовые фотоны представляют из себярадиоволны.Рис. 3: При температуре около 3000 градусов вещество во Вселенной перешло изплазменного в газообразное состояние и стало прозрачным для фотонов. По горизонтальной осиотложено время. Желтым цветом схематически изображены фотоны.В эпоху излучения реликтовых фотонов Вселенная не была в точностиоднородной. Имевшиеся тогда неоднородности были зародышами структур — первыхзвезд, галактик, скоплений галактик.
В то время неоднородности плазмы, как обычно дляплотных сред, представляли собой звуковые волны. Важно, что в ту эпоху во Вселеннойимелся характерный масштаб расстояний, который проявляется сейчас в свойствахизлученных тогда реликтовых фотонов. Звуковые волны с большой длиной и,соответственно, малым периодом, еще не успели развиться к эпохе излучения реликтовыхфотонов, а волны с "правильной" длиной как раз успели попасть в фазу максимальногосжатия.
Эта "правильная" длина волны представляет собой "стандартную линейку" эпохиизлучения реликтовых фотонов; ее размер надежно вычисляется в теории горячегоБольшого взрыва.Неоднородность Вселенной эпохи последнего излучения реликтовых фотоновпроявляется в том, что фотоны, излученные в разных местах, имеют немного разнуютемпературу. Иными словами, температура фотонов зависит от направления на небеснойсфере, с которого они к нам приходят.
Эффект слабый: относительная разница температурв разных направлениях составляет около 1/100 000. Тем не менее, этот эффект был надежно измерен. Более того, на рубеже XX - XXI веков в экспериментах BOOMERANG иMAXIMA впервые был измерен угол, под которым видна обсуждавшаяся только что"стандартная линейка". Ясно, что этот угол зависит от геометрии пространства: еслисумма углов треугольника превышает 180 градусов, то и этот угол больше. В результатебыло выяснено, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точностиевклидово. Последующие измерения подтвердили этот вывод. С точки зрения расширенияВселенной существующие результаты означают, что кривизна пространства вноситпренебрежимо малый вклад (менее 1%) в параметр Хаббла. Темп расширения Вселеннойна 70% обусловлен сегодня именно темной энергией.62 Больше не знают о ней ничегоКакие же свойства темной энергии известны сегодня? Таких свойств немного,всего три.
Но то, что известно, может по справедливости вызвать изумление.Первое — это тот факт, что в отличие от "нормальной" материи темная энергия нескучивается, не собирается в объекты типа галактик или их скоплений. Насколько сейчасизвестно, темная энергия "разлита" по Вселенной равномерно. Это утверждение, как илюбое, основанное на наблюдениях или экспериментах, справедливо с определеннойточностью. Нельзя полностью исключить того, что где-то во Вселенной плотность темнойэнергии немного больше, а где-то немного меньше средней плотности, где-то темнаяэнергия чуть-чуть более густая, а где-то чуть-чуть более разреженная. Однако изнаблюдений следует, что такие отклонения от однородности, если они и есть, должныбыть весьма малы по величине.О втором свойстве мы уже говорили: темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Этим темная энергия тоже разительно отличается от нормальнойматерии.
Для нормальной материи справедливо обычное представление о том, как"работают" гравитационные силы: частички вещества, образовавшиеся, скажем, в результате взрыва и разлетающиеся от центра, постепенно замедляют свой разлет из-загравитационного притяжения к центру. Если бы не темная энергия, то так же обстояло быдело и со Вселенной: скорость разбегания галактик уменьшалась бы с течением времени.Темная энергия приводит к обратному эффекту, галактики разбегаются все быстрее ибыстрее.Два описанных свойства говорят о том, что темная энергия в определенном смыслеиспытывает антигравитацию, для нее имеется гравитационное отталкивание вместогравитационного притяжения. Из-за этого расширение Вселенной ускоряется, из-за этогоже темная энергия распределена в пространстве равномерно. Области с повышеннойплотностью нормальной материи за счет гравитационного притяжения собирают веществоиз окружающего пространства, сами эти области сжимаются и образуют плотные сгустки;именно так сформировались первые звезды, а потом галактики и скопления галактик.
Дляантигравитирующей субстанции все наоборот: области с повышенной плотностью (еслиони есть) растягиваются из-за гравитационного отталкивания, неоднородностиразглаживаются, и никаких сгустков не образуется.Третье свойство темной энергии состоит в том, что ее плотность не зависит отвремени. Тоже удивительно: Вселенная расширяется, объем растет, а плотность энергииостается постоянной. Кажется, что здесь есть противоречие с законом сохраненияэнергии.
За последние 8 миллиардов лет Вселенная расширилась вдвое. Областьпространства, которая тогда имела, скажем, размер 1 метр, сегодня имеет размер 2 метра,ее объем увеличился в 8 раз, во столько же раз увеличилась энергия в этом объеме.Несохранение энергии налицо. Разумеется, это относится именно к темной энергии:количество частиц нормальной материи в расширяющемся объеме не изменилось, ихполная энергия покоя тоже, а плотность энергии покоя упала в 8 раз.На самом деле рост энергии при расширении Вселенной не противоречит законамфизики.
Темная энергия устроена так, что расширяющееся пространство совершает надней работу, что и приводит к увеличению энергии этой субстанции в расширяющемсяобъеме пространства. Правда, расширение пространства само обусловлено темнойэнергией, так что ситуация напоминает барона Мюнхгаузена, вытаскивающего себя заволосы из болота. И тем не менее противоречия нет: в космологическом контекстеневозможно ввести понятие полной энергии, включающей в себя энергию самого гравитационного поля. Так что и закона сохранения энергии, запрещающего рост или убываниеэнергии какой-нибудь формы материи, тоже нет. [Заметим в скобках, что энергия газа7реликтовых фотонов в расширяющемся объеме тоже не сохраняется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
