Темная энергия, темная материя и ускоренно расширяющаяся Вселенная

Опубликовано: 16 ноября 2011 г.
Рубрики:

 

 

Нобелевские лауреаты по физике 2011 года

CMB_Timeline_w.jpg

Диаграмма расширения вселенной от момента Большого взрыва до наших дней. Иллюстрация НАСА.
Диаграмма расширения вселенной от момента Большого взрыва до наших дней. Иллюстрация НАСА.
Диаграмма расширения вселенной от момента Большого взрыва до наших дней. Иллюстрация НАСА.
4 октября 2011 года секретарь Нобелевского комитета Стаффан Нормарк объявил о решении Шведской королевской академии наук присудить Нобелевскую премию по физике за 2011 год трем астрофизикам: одна половина премии досталась Солу Пёрлмуттеру, другую поделили между собой Брайан Шмидт и Адам Рисс. Эти три группы ученых почти одновременно сделали самое выдающееся открытие в космологии после общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1916 г.), теоретических расчетов российского и советского физика и математика Александра Фридмана (1922 г.) и эмпирического открытия расширения Вселенной американским астрономом Эдвином Хабблом (1929 г.), подтвердившего теорию Эйнштейна и расчеты Фридмана.

В 1998 году новые нобелевские лауреаты открыли, что Вселенная не просто расширяется, но расширяется ускоренно. То есть, чем дальше галактики, тем с большей скоростью они разбегаются друг от друга. Иначе говоря, галактики «летят» с ускорением, как ракета во время своего разгона. Только скорости полета в десятки тысяч раз выше.

Группа Перлмуттера объявила об открытии первой, но группа Риса-Шмидта опередила ее в публикации (15 мая 1998 г.).

В группу Риса входит (кроме него) 19 ученых, в группу Перлмуттера — 34. Что хотелось бы отметить — в обе эти группы входит русский исследователь Алексей Филиппенко со своими помощниками, профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли. Причем в публикации группы Риса он идет вторым в списке авторов. Он, в принципе, является главным виновником торжества, но премию выдали только руководителям групп. Несколько слов из его биографии. Алексей Филиппенко родился в 1958 году в США, он — заслуженный профессор физических наук, доктор философии (PhD) c 1984 года. Его исследования изложены в 660 работах. Виднейший специалист по ранней Вселенной и черным дырам. Является одним из самых высоко цитируемых астрономов мира. В 2009 году был избран членом Национальной академии наук, а в 2007 году получил главную для астрономов премию Грубера.

Несколько слов о лауреатах:

Профессор астрофизики Перл­муттер родился в 1959 году в США, в 1986 году окончил Калифорнийский университет в Беркли, где и продолжает заниматься наукой.

Шмидт также родился в США в 1967 году. В 1993 году окончил Гарвардский университет. В настоящий момент работает в Австралийском национальном университете.

Рис родился в 1969 году в Вашингтоне, в 1996 году получил степень Ph.D в Гарварде. Работает в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе.

Сначала сами авторы сомневались в верности своего необычного открытия и долго искали ошибку в данных наблюдения и своих вычислениях. Именно поэтому руководитель группы Перлмуттер не решался дать добро на публикацию, хотя Филиппенко не сомневался в правильности данных. Ошибки не было.

 

Вспышки сверхновых звезд — маркер измерений

В 1998 году ученые обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря изучению сверхновых звезд типа Ia. Эти сверхновые возникают в двойных системах (это две звезды, связанные гравитацией, — прим. ред.), где белый карлик вытягивает из своей звезды-компаньона материю. (Белый карлик — это маленькая звезда, размером с Землю. Она массивная, как Солнце, и поэтому очень плотная — в миллион раз плотнее воды. Белые карлики происходят из сжавшихся остывающих ядер нормальных звезд, на заключительном этапе эволюции сбросивших с себя оболочку. В отличие от обычных звезд, в белом карлике не идут термоядерные реакции, и он светится исключительно за счет остывания. — Прим. ред.) Когда масса белого карлика достигает величины 1,4 солнечных (так называемый «предел Чандрасекара»), с ним происходят катастрофические изменения.

Мы все это рассказываем лишь для того, чтобы объяснить, почему эти белые карлики Ia позволили сделать открытие ускорения расширения Вселенной. После накопления критической массы похищенного у нормальной звезды вещества, состоящего из водорода, на бывшем белом карлике запускается цепная реакция термоядерного синтеза, и весь присвоенный слой взрывается наподобие гигантской водородной бомбы. Поскольку критическая масса и мощность такого ядерного взрыва на поверхности любой сверхновой типа Ia не отличаются друг от друга, яркость любой сверхновой этого типа практически неизменна, что и позволяет использовать их как световые верстовые столбы для измерения расстояния.

Отыскав в далекой галактике сверхновую звезду типа Ia и сравнив наблюдаемую яркость вспышки с расчетной, астрофизики могут определить реальное расстояние до галактики.

В максимуме блеска сверхновая сравнима по яркости с галактикой, в которой она вспыхнула, а некоторые типы сверхновых на порядок и более могут превосходить энергию всей галактики. Например, светимость сверхновой звезды SN 1972E в 13 раз превышала интегральную светимость её родной галактики NGC 5253. То есть, сверхновая в течение нескольких суток выделяла энергию, равную полутора триллионам звезд! Понятно, что такой «прожектор» виден в хороший телескоп на расстоянии до 14 миллиардов световых лет (!).

Но и такая сверхновая тускнеет по сравнению со звездой SN 2006gy, открытой в 2006 году. Эта сверхновая является рекордсменом, самой мощной из когда-либо зарегистрированных. SN 2006gy с массой около 150 солнечных (с бóльшими массами звезд просто не бывает) самоподорвалась 238 миллионов лет назад. Дело происходило в далекой галактике на расстоянии как раз в 238 миллионов световых лет (72 мегапарсек) от нас (слава Богу!). И вот вся эта огромная масса при коллапсе мгновенно «перешла в энергию».

В этот момент сверхновая звезда светила в сотни раз сильнее всей галактики. Катастрофа столь велика, что этой звезде даже придумали название «кварковая звезда» (то есть, энергии было достаточно для образования ядра из кварков).

Недалеко от Земли, «всего» в 7500 световых годах от нас в нашей же Галактике (Млечном пути), есть такая же раздутая до безобразия звезда Eta Carinæ. Тоже с подобной массой. Голубой молодой гигант. Эти звезды неустойчивы (слишком быстро выжигают в центре протоны) и обязательно кончают коллапсом и вспышкой сверхновой. Ждут со дня на день. Скорее всего, она уже давно взорвалась, но свет до нас еще не дошел...

Так вот, при ее вспышке (когда свет дойдет до нас) можно будет читать ночью мелкий шрифт. А днем она будет видна на небе как маленькое солнце.

Если бы эта звезда оказалась на месте самой близкой к нам звезды Проксима Центавра (4,5 световых года), то ее вспышка уничтожила бы на Земле все живое. А может быть, и саму Землю.

Но она, к счастью, далеко.

Каждый год во всех наблюдаемых галактиках вспыхивает от 300 до 500 сверхновых разных типов, но именно «откалиброванного» эталона, сверхновых типа Ia не так много, и безумствуют они всего несколько дней, поэтому их поиск сам по себе является сложной задачей.

Обнаружилось, что эти сверхновые теряют свой блеск быстрее, чем их товарки, расположенные не так далеко. Объяснение одно: они удаляются от нас быстрее, чем положено по закону расширения Вселенной. Иными словами, Вселенная расширяется не просто равномерно, а с растущим ускорением и быстрее, чем следовало из принятой модели Большого Взрыва.

 

Этапы эволюции Вселенной

Нобелевский комитет не смог удержаться от эмоций. В решении написано: «Вот уже около 100 лет мы знаем, что Вселенная расширяется после так называемого Большого взрыва (Большой взрыв (Big Bang) — космологическая теория начала расширения Вселенной — прим. ред.), произошедшего примерно 14 млрд. лет назад. Однако открытие того, что расширение ускоряется, совершенно поразительно. Этот процесс расширения будет ускоряться до тех пор, пока Вселенная не дойдет до «ледяного» состояния. Наблюдения этого процесса расширения Вселенной изменили наше понимание обо всей Вселенной. Теперь мы осознаем, что Вселенная до 95 процентов состоит из объектов, о которых мы ничего не знаем, это так называемые темная материя и темная энергия. И только 5 процентов — это то, что мы видим. Это открытие очень фундаментальное, оно очень много значит для космологии. И это большой вызов для многих поколений ученых.

О «ледяном» состоянии — позже. А пока как раз о сверхгорячем виде молодой Вселенной. Первый миллиард лет жизни Вселенной выглядит так:

Первые 10-43 секунды

В этот миг самого начала Большого взрыва все известные взаимодействия существовали в виде некоего фундаментального первополя, в виде «великого объединения», то есть еще не произошло разделения «сил» на гравитационные, сильные, слабые и электромагнитные.

Сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной (значительно больше ядерной плотности) и очень горячей. В цифрах это выглядит как десятки и сотни триллионов градусов. Всё вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов, и температура не давала никакой возможности объединиться в атомы. Ничего более определенного о том периоде пока сказать нельзя. Ибо «до того» (само выражение «до того» — условно) было еще хуже — существовала первичная сингулярность, то есть некая особенность материи с бесконечной плотностью, бесконечной температурой и нулевым радиусом кривизны. Иначе говоря, там не было ни пространства, ни времени. Вообще ничего не было. Некоторым образом — ничто.

10-35 секунды

При температурах в немыслимые триллионы градусов гравитационное взаимодействие отделяется от сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий (эти три пока существуют слитно, они разделятся позже). Еще примерно через одну стотысячную долю секунды кварки сливаются в элементарные частицы.

10-10 секунды

Очень важная веха — электромагнитное и слабое взаимодействие также разделяются. Мир начинает принимать знакомый облик — уже имеются 4 основных взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное.

3 минуты

До истечения первых трех минут атомные ядра не могли возникнуть. Стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при столкновении с другими частицами. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергии столкновений стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей, и стали образовываться стабильные ядра. Стало быть, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а на четвертой минуте в нем стало появляться всё больше островков-ядер.

300 тысяч лет

Через 300000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла (примерно до 3000 градусов Кельвина) достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов.

На этой стадии для объяснения возможности дальнейшего гравитационного формирования галактик теоретики вводят появление некоей «темной материи».

1 миллиард лет после начала расширения

Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала примерно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Следующее поколение сверхмощных радио и гамма телескопов позволит изучить галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения. То есть позволят нам заглянуть на 13 миллиардов лет назад и увидеть, что происходило через примерно миллиард лет после Большого взрыва.

5 миллиардов лет и до настоящего времени

Вселенная продолжает расширяться, в галактиках появляются звезды второго и третьего поколения, среди них и наше Солнце. Вокруг некоторых из них — планетные системы. Скорость разлета галактик даже немного уменьшается, так как разбег галактик притормаживает сила гравитации между ними. Вселенная достигает такого размера, когда в ней все больше и больше начинает проявляться та самая темная энергия.

 

Темная энергия, антигравитация

Вот теперь о ней стоит поговорить подробнее.

Открытое нобелевцами увеличение ускорения расширения Вселенной вызвало возрождение идеи о неких грандиозных отталкивающих силах, действующих во Вселенной на огромных расстояниях.

Теперь стало ясно, что чем больше рассматриваемый объем, тем мощнее силы отталкивания. Точнее, нужно говорить об энергии, которая заставляет разлетаться галактики со всё большим ускорением. Эту таинственную «силу» назвали «темной энергией». Кто именно назвал — неизвестно, но среди первых был Алексей Филиппенко. Название сразу прижилось — оно хорошо встраивалось в ряд черных дыр и темной материи (Темная материя — это форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения. Именно поэтому невозможно прямое ее наблюдение. Но ее можно наблюдать с помощью создаваемого ею гравитационного влияния, — прим. ред.). Что-то опасное, грозное и не совсем понятное. Эта «темная энергия» — некая «отталкивающая сила», эквивалентная антигравитации. Само слово раньше отдавало чертовщинкой и мракобесием, наряду с полетами ведьм на помеле. В земных условиях, в масштабах планетных систем, галактик и даже скоплений галактик это и сейчас так. Нет там антигравитации. Точнее, есть, но ею можно пренебречь из-за ничтожности проявления. Но в космических масштабах дело меняется. Антигравитация — темная энергия, начинает чувствоваться. Только проявляется она исключительно на космологических расстояниях, когда речь идет о пяти и более миллиардах  световых лет. И чем больше расстояния, тем сильнее она чувствуется.

По мере «раздвижения горизонтов» гравитация между удаляющимися скоплениями галактик слабела пропорционально квадрату расстояния между ними, зато некая отталкивающая сила, «темная энергия», все время росла (напомню — она проявляется тем сильнее, чем больше объем Вселенной). Наконец, «темная энергия» преодолела тяготение, стала доминирующей и погнала Вселенную вширь со все более увеличивающейся скоростью.

В прямом смысле слова «темная энергия» — никакая не энергия в некоем обиходном смысле слова. То есть, ее нельзя извлечь (даже в принципе) наподобие, например, термоядерной, утилизировать для нужд человечества.

 

Большой взрыв и Большой разрыв

Пока космологи не имеют хорошего прогноза. Это ускоренное раздувание Вселенной добром не кончится. Раздуваемый шарик, в конце концов, лопнет. А Вселенная? Наверняка, тоже.

Физики это смутно предчувствуют и пишут некие апокалипсические видения в предвидении «Страшного космического суда». Суд этот называется в физике Big Rip, что вполне точно переводится как Большой Разрыв. Вначале был Большой Взрыв, в конце — Большой Разрыв.

В чем его суть? В том, что Вселенная полностью перестанет быть системой. Она и сейчас-то не очень системна. Если на прохождение сигнала от самых крайних объектов требуется время, соизмеримое со временем существования Вселенной, то понятно, что эти части мира никак между собой не связаны. Даже теоретически. Ни гравитацией, ни фотонами. Никак. Так как Вселенная раздувается со всё возрастающей скоростью, все большее число ее структурных единиц начнет терять связь друг с другом. К примеру, все звезды, составляющий нашу Галактику (Млечный Путь) связаны между собой гравитацией и вращаются вокруг общего центра масс. Согласно расчетам Роберта Колдуэлла, который как раз и ввел термин Большой Разрыв (Big Rip), примерно через 22 миллиарда лет размеры Вселенной станут таковы, что темная энергия начнет сказываться на движении звезд. Если темная энергия разнесет звезды Млечного пути, они более не будут «общаться». Перестанут быть системой. То же произойдет с планетами и Солнцем, точнее, с их остатками, ибо на месте Солнца давно будет красный, медленно остывающий карлик (маленькая и относительно холодная звезда, — прим. ред.), а Земля и ближние планеты еще ранее сгорят при предварительном раздувании Солнца до красного гиганта. Итак, к конце времен: никакой связи ничего ни с чем. Вот это и есть Big Rip — Большой Разрыв.

Первые заметные проявления черной энергии и страсти с разрывами начнутся не ранее, чем через 22 миллиарда лет. Это в 4 раза больше, чем существует Солнце и Земля.

Стало быть, вывод такой: нарастающая темная энергия постепенно доберется до любых компактных тел, до молекул и атомов. Все они буду разорваны на составные части. Молекулы — на атомы, атомы на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и прочие элементарные частицы. В конечном итоге весь объем заполнится равновесным низкотемпературным излучением, с температурой, стремящейся к абсолютному нулю по шкале Кельвина (-373 Цельсия). Абсолютный ноль недостижим, зато приближаться к нему можно вечно.

В общем, ледяной труп Вселенной будет представлять собой холодную смесь некоего «первовещества» и торжество разлившейся в пространстве темной энергии. Хотя ее плотность ничтожна, но зато она наполняет собой всю Вселенную, так что по массе занимает 72-74 процента от общей массы. Настанет тотальная тепловая смерть, хотя и с температурой почти абсолютного нуля.

Вывод не столь уж нов: все в мире имеет свое начало и конец.

Срок жизни Вселенной, многие десятки миллиардов лет — величина невероятная, огромная, несопоставимая ни с какими египетскими пирамидами. Но — конечная.

Все эти сроки для цивилизации есть настоящая дарованная практическая бесконечность.

Еще можно утешаться тем, что кроме нашей Метагалактики (то есть, нашей Вселенной) возникали иные миры и у них будет другая участь. Какая именно — никому не известно. Может быть, там никогда не смогла возникнуть жизнь и разум, так что гибель тех Вселенных никого не опечалит.

Кроме того, не забудем, что так рисуют будущее Вселенной сегодняшние теории. До конца Солнца еще 5 миллиардов лет, за это время появятся, надо думать, гораздо более оптимистические теории.