Сгустки темной материи

В условном синем цвете воспроизведены возможность увидеть сгустки темной материи, заполняющей Вселенную. Взаимодействие отдельных струй галактической вещества показывает определяющее влияние темной материи. Обычно это увидеть невозможно, поскольку темная и обычная (барионная) материя перемешаны и их гравитационное воздействие накладывается друг на друга.

 

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, есть темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия, темная энергия равномерно «разлита» по всему нашей Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько в пустых провалах физического вакуума. Необычное же то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным влиянием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная начала расширяться с растущим ускорением, как будто включился какой-то гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы приводить к обратному эффекту замедления разбегания галактик. Известный исследователь черной энергии, имеет свои собственные оригинальные взгляды на ее происхождение и эволюцию, профессор Артур Давидович Чернин считает, что такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна иметь специальную свойство - отрицательным давлением. Это резко отличает ее от обычных форм материи и делает ее природу главной проблемой современной фундаментальной физики.

 

На сегодня главным кандидатом на роль темной энергии является физический вакуум с его виртуальными частицами и полями. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат - новое сверхслабых поле, пронизывающее всю Вселенную, для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой нечто совершенно необычное

 

Правда, существуют и другие объяснения ускоренного расширения нашего Мира, опирающихся на предположение о том, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такие гипотезы ведут к выводам об определенной ограниченности собственно общей теории относительности. Пожалуй, если ее обобщения вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, кроме трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

 

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды прояснить природу темной энергии (или, если более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

 

Когда-то считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе есть не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяжиння, которое преобладает над притяжением в наблюдаемой Вселенной. Антитяжиння создают не галактики (с их обычной светящейся барионного вещества и темной материей), а какая-то особая космическая энергия, в которую погружены все галактики мира. Это темная энергия, как ее сейчас чаще называют, и создает анти-тяготение. Темная энергия темная крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима - не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны. В одной из своих последних работ профессор Чернин подчеркивает, что с темной энергией вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения (хотя бы минимальные) о ее свойствах. Самый (и, как кажется, наиболее правдоподобный) из обсуждаемых сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной. Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и подал результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжения всех тел природы друг к другу ... отсутствовало. Ньютоновской всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но, кроме него, в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор - всемирное антитяжиння, полностью компенсировало взаимное притяжение космических тел в масштабе всей Вселенной.

 

Ничего подобного предыдущая, доейнштейнивська физика не знала. Но антитяжиння не вытекало действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Однако она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяжиння было подано в этих уравнениях всего лишь одной и притом постоянной физической величиной, и получила позже название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения - без нее теория не допускала бы статичности мира.

 

Большинство современных космологов, так же как и профессор Чернин, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия - это энергия вакуума. Кроме ясности и простоты, такая интерпретация привлекательна еще и в том - важнейшем деле - плане, что наблюдения, при которых темная энергия была открыта, полностью с ней согласуются. Похоже, что другие, более сложные и, в общем, произвольные варианты интерпретации темной энергии постепенно вытесняют наблюдения.

 

Разумеется, отрицательное давление вакуума, со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе обычно положительный. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта парохода), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совершенно особая. Давление вакуума не только отрицательный, но еще равно - по абсолютной величине - его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одном другом среде. Это абсолютно и исключительно свойство самого вакуума и только его.

 

Первые звезды. По мнению астрофизиков, первые звезды, появившиеся во Вселенной через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, были совершенно не похожи на сегодняшние звезды, поскольку они были темными, образовавшись ыз темной или антиматерии. На ранних этапах эволюции Вселенной появление зрение из антиматерии было гораздо вероятнее, чем в наши дни. В общем, ученые говорят о темной материи, включая все астрономические объекты, недоступные прямому наблюдению современными средствами астрономии, то есть и такие, которые не выпускают электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности, но поддаются наблюдению косвенно по гравитационным эффектам. Специалисты до сих пор расходятся во мнениях относительно соотношения во Вселенной материи и антиматерии. Новая теория говорит о том, что именно темная материя дала толчок для создания зрение. По мнению ученых, темная материя непосредственно влияла на температуру и плотность газа, который должен сформировать первые звезды. При этом частицы и античастицы вступали в контакт друг с другом, в результате чего происходил процесс аннигиляции, которая порождала субатомные частицы - кварки и антикварки. Именно аннигиляция, что представляет собой атомный взрыв в миниатюре, поддерживала температуру первых протозвездные облаков водорода и гелия. Наконец темная материя не давала первым звездам разогреваться и уплотняться, уступая место для строительства аналогичных объектов из антивещества. Формирование первых звезд из материи стало возможным лишь тогда, когда плотность Вселенной снизилась настолько, что процессы взаимодействия материи и антиматерии стали не столь активными.

 

О вакуум в физике говорят со времен возникновения квантовой механики. С этой науки следовало, в частности, что во всех полей и частиц природы существует состояние минимальной энергии, который и называется вакуумом. Вакуум - не пустота, и минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равна нулю. Физический вакуум имеет определенную энергию, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления.

 

Темную энергию открыли наблюдениях далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за их исключительной яркостью сверхновые можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них. Оказалось, что снижение яркости происходит несколько быстрее в среднем, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, которая к тому же считалась стандартной. Но это возможно тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. когда скорость удаления от нас источника света не уменьшается, а возрастает со временем. Именно благодаря этому эффекту ускорения и удалось распознать темную энергию и даже очень точно измерить ее плотность.

 

Оказалось, что плотность вакуума заметно больше плотность других видов космического вещества и энергии. Темная энергия составляет примерно 70% от полной энергии Вселенной. Второй по величине вклад в энергию / массу Вселенной делает темное вещество, или темная материя, - на нее приходится 25%. Темную материю не нужно путать с темной энергией. Это совершенно разные вещи, при этом известно, что темная материя образована из нерелятивистских частиц, т.е. частиц, движущихся с малыми скоростями по сравнению со скоростью света.

 

Почему вакуум создает не тяготение, а антитяжиння? Все дело в том, что физический вакуум имеет не только определенную плотность, но также и давление. Уравнение состояния вакуума такое, что если его плотность положительная, то его давление отрицательный. Причем по абсолютной величине плотность и давление уровне. Согласно общей теории относительности, не только плотность среды, но и ее давление создают тяжести. Поэтому эффективная плотность, что создает притяжение, содержит как бы два слагаемые. Отсюда и антитяжиння вакуума: отрицательная эффективная нустина создает эффект антигравитации. Если поместить в вакуум две частицы, то он заставит их двигаться прочь друг от друга. В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяжиння стремится не сблизить тела, а, наоборот, отдалить их друг от друга.

 

Поскольку за наблюдательными данными о сверхновые плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии, в наблюдаемой Вселенной антитяжиння сильнее притяжения, и космологическое расширение должно происходить с ускорением.

 

Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго - ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты - вещества и излучения - будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими притяжения никогда уже не будет преобладать во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.

 

Обратимся от будущего Вселенной к его прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была выше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равна эффективной плотности вакуума. В этот момент притяжения вещества точно компенсировалось антитяжинням вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамичной истории мира. Так что же происходит с пространством-временем мира, когда в нем доминирует вакуум? Если пренебречь влиянием всей НЕ-вакуумной вещества, то только вакуум и определять тогда свойства пространства-времени. Поскольку плотность и давление вакуума не меняются со временем, то с вакуумом вообще ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же. Но если неизменный вакуум и только он определяет свойства пространства-времени, то и собственно пространство-время везде и всегда быть тогда одним и тем же. Это означает, что мир, в котором царит вакуум должен быть неизменным во времени, статичным. В полном соответствии с этим рассуждением космологическая теория Фридмана (а в ней изначально учитывалась возможность существования вакуума, представленного космологической константой) описывает мир вакуума как мир статичен и неизменен. Но каким образом происходит это превращение мира подвижного и расширяющегося в мир неподвижен? Как из мира исчезает эволюция? Ведь разбегания галактик в нем продолжается ...

 

Действительно, галактики удаляются друг от друга в мире вакуума и притом со все большими скоростями. Из теории Фридмана следует, что их скорости растут в этом случае по экспоненциальному закону. Но чем быстрее разбегаются галактики, тем меньше плотность их общего распределения, а значит, тем слабее их влияние - через их собственное тяготение на свойства пространства-времени. А влияние вакуума - из-за его антитяжиння - становится тем временем все сильнее. Наконец галактики, и вообще вся НЕ-вакуумная вещество, оказываются в мире, свойства которого как целого определены не ими, а вакуумом. Так эволюция мира в целом затухает, его пространственно-временной каркас застывает и остается таким навсегда.