Книга "Астрофізика. Троїцький варіант "(видавництво" АСТ ") - це збірка статей, раніше опублікованих у науково-популярному виданні" Троїцький варіант - наука ". Спеціально для цієї книги астрофізик, провідний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень РАН Борис Штерн і фізик-теоретик, академік РАН Валерій Рубаков, забезпечили матеріали післямовами і коментарями, а також написали кілька нових статей. Обходячись без складних формул і пояснюючи термінологію, вчені розповідають про все, що сьогодні займає людей, які вивчають і цікавляться космосом: відкриття бозона Хіггса, становлення «прецизійної космології», екзопланети, космологічна інфляція та багато іншого. пропонує своїм читачам ознайомитися з уривком, присвяченим вивченню розширення Всесвіту і теорії інфляційної стадії його еволюції, а також темної матерії, яка відіграє в цьому процесі важливу роль.
Трохи історії
Те, що в нашому Всесвіті «щось не так», стало ясно космологам вже до початку 1990-х років. Для пояснення корисно нагадати про закон розширення Всесвіту. Віддалені галактики розбігаються, причому чим далі галактика, тим швидше вона віддаляється від нас. Кількісно темп розширення характеризується параметром Хаббла. До початку 1990-х значення параметра Хаббла в сучасному Всесвіті було досить добре виміряно: темп розширення Всесвіту сьогодні такий, що галактики, віддалені від Землі на відстань 1 млрд світлових років, тікають від нас зі швидкістю 24 тис. км/с.
Зазначимо, що параметр Хаббла залежить від часу: у далекому минулому Всесвіт розширювався набагато швидше, ніж зараз, і, відповідно, параметр Хаббла був набагато більшим.
У сучасній теорії гравітації - загальній теорії відносності - параметр Хаббла однозначно пов'язаний з двома іншими характеристиками Всесвіту: по-перше, із сумарною щільністю енергії всіх форм матерії, вакууму тощо, по-друге, з кривизною тривимірного простору. Наш тривимірний простір, взагалі кажучи, не зобов'язаний бути євклідовим; його геометрія може, наприклад, бути аналогічна геометрії сфери; сума кутів трикутника може не дорівнювати 180 °. У такому випадку «пружність» простору з точки зору розширення Всесвіту відіграє ту ж роль, що і щільність енергії.
До початку 1990-х років з непоганою точністю була оцінена і щільність енергії «нормальної» матерії в сучасному Всесвіті. «Нормальна» вона в тому сенсі, що відчуває такі ж гравітаційні взаємодії, що і звичайна речовина. Втім, справа ускладнилася тим, що більша частина «нормальної» матерії - це так звана темна матерія. Темна матерія, мабуть, складається з нових, не відкритих поки в земних експериментах елементарних частинок, що надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною (слабкіше нейтрино!), але на рівних відчувають гравітаційну взаємодію. Саме за ефектом гравітаційного тяжіння вона і була виявлена. Більш того, вимірювання гравітаційних сил в скупченнях галактик дозволили визначити масу темної матерії в них, а в кінцевому підсумку - в цілому у Всесвіті. таким чином і була знайдена повна щільність енергії «нормальної» матерії (для неї справедлива знаменита формула).
І що ж виявилося? З'ясувалося, що «нормальної» матерії явно не вистачає для пояснення виміреного темпу розширення Всесвіту. Причому сильно не вистачає: «недостача» становила близько 2/3 (за сучасними оцінками - близько 70%). Можливих пояснень цього факту було два: або тривимірний простір викривлено, і відсутній внесок у параметр Хаббла пов'язаний з його «пружністю», або у Всесвіті присутня нова форма енергії, яку згодом і стали називати «темною енергією».
З теоретичної точки зору обидві ці можливості - і неевклідованість простору, і темна енергія - виглядали вкрай неправдоподібними.
Почнемо з кривизни тривимірного простору. У процесі розширення Всесвіту простір розгладжується, його кривизна зменшується. Якщо кривизна відрізняється від нуля зараз, то в минулому вона була більше, ніж сьогодні. Однак щільність енергії (маси) матерії вбиває при розширенні Всесвіту ще швидше. Це означає, що в минулому відносний внесок кривизни в параметр Хаббла був дуже малий, а головним - з великим запасом - був внесок матерії. Для того щоб сьогодні розширення Всесвіту на 70% забезпечувалося кривизною, необхідно «підігнати» значення радіусу кривизни простору в минулому з фантастичною точністю - через секунду після Великого вибуху він повинен був бути рівний мільярду радіусів спостережуваної тоді частини Всесвіту, не більше і не менше! Без такої підгонки кривизна сьогодні була б або на багато порядків більше, або на багато порядків менше, ніж необхідно для пояснення спостережень.
Ця проблема була одним з головних міркувань, що призвели до уявлення про інфляційну стадію еволюції Всесвіту. Згідно з інфляційною теорією, запропонованою Олексієм Старобінським і незалежно Аланом Гутом і сформованою завдяки роботам Андрія Лінде, Андреаса Албрехта і Пола Стейнхардта, Всесвіт на самому ранньому етапі своєї еволюції пройшов через стадію надзвичайно швидкого, експоненційного розширення (роздування, інфляції). Після закінчення цієї стадії Всесвіт розігрівся до дуже високої температури, і настала епоха гарячого Великого вибуху.
Хоча інфляційна стадія тривала, швидше за все, малу частку секунди, за цей час Всесвіт розтягнувся на десятки або сотні порядків величини (або набагато більше), і кривизна простору впала практично до нульового значення. Таким чином, інфляційна теорія призводить до передбачення про те, що простір сучасного Всесвіту з найвищим ступенем точності євклідово. Це, звичайно, йде врозріз з тією гіпотезою, що Всесвіт розширюється сьогодні на 70% завдяки кривизні.
Дія темної енергії подібна до космологічної інфляції перших миттєвостей Всесвіту, тільки зовсім інших масштабів - нікчемна щільність енергії, повільне прискорення. Цей малий масштаб - велика загадка, абсолютно незрозуміло, як темна енергія може бути пов'язана з відомою нам фізикою частинок і полів. До цієї загадки ми ще повернемося.
У дилемі, що відповідає за відсутні 70% щільності Всесвіту, - темна енергія або кривизна - остання довгий час була більш популярною. Переворот стався в 1998 - 1999 роках, коли дві групи з США, одна під керівництвом Адама Райсса і Брайана Шмідта, а інша - Сола Перлмуттера, повідомили про результати спостережень віддалених наднових типу Ia. З цих спостережень випливало, що наш всесвіт розширюється з прискоренням. Така властивість цілком узгоджується з уявленням про темну енергію, в той час як кривизна простору до прискореного розширення не призводить.
Кілька слів про наднові типи Ia. Це білі карлики, які, підживлюючись речовиною від зірки-компаньйона, досягли так званої чандрасекарівської межі, після чого втратили стійкість, вибухнули і колапсували в нейтронні зірки. Межа Чандрасекара для всіх білих карликів одна, самі білі карлики схожі один на одного, тому і вибухи в певному сенсі однакові. Іншими словами, наднові типи Ia являють собою «стандартні свічки»: знаючи абсолютну світність і вимірюючи видиму яскравість (потік енергії, що приходить на Землю), можна визначити відстань до кожної з них. Одночасно можна встановити і швидкість видалення від нас кожної з наднових (використовуючи ефект Доплера).
Наднові - дуже яскраві об'єкти, їх видно на величезних відстанях. Інакше кажучи, віддалені наднові, які ми спостерігаємо зараз, вибухнули давним-давно, і тому швидкість їх втікання визначалася темпом розширення Всесвіту тоді, в далекому минулому. Тим самим спостереження наднових типу Ia дозволяють визначити темп розширення на порівняно ранніх етапах еволюції Всесвіту (8 млрд років тому і навіть дещо раніше) і простежити залежність цього темпу від часу. Саме це і дало можливість встановити, що Всесвіт розширюється з прискоренням.
Остаточний доказ того, що кривизна тривимірного простору Всесвіту мала, було отримано шляхом вивчення карти реліктового випромінювання.
В епоху випромінювання реліктових фотонів Всесвіт не був в точності однорідної наявні тоді неоднорідності були зародками структур - перших зірок, галактик, скупчень галактик. У той час неоднорідності плазми являли собою звукові хвилі. Важливо, що в ту епоху у Всесвіті був характерний масштаб відстаней. Звукові хвилі з великою довжиною і, відповідно, великим періодом, ще не встигли розвинутися до епохи випромінювання реліктових фотонів, а хвилі з «правильною» довжиною якраз встигли потрапити у фазу максимальної амплітуди. Ця «правильна» довжина хвилі являє собою «стандартну лінійку» епохи випромінювання реліктових фотонів; її розмір надійно обчислюється в теорії гарячого Великого вибуху і проявляється на карті реліктового випромінювання.
На рубежі XX-XXI століть в експериментах BOOMERanG і MAXIMA вперше був вимірений кут, під яким видно «стандартну лінійку», що обговорювалася тільки що. Зрозуміло, що цей кут залежить від геометрії простору: якщо сума кутів трикутника перевищує 180 °, то і цей кут більший. В результаті було з'ясовано, що наш тривимірний простір з гарним ступенем точності євклідово. Наступні вимірювання підтвердили цей висновок. З точки зору розширення Всесвіту існуючі результати означають, що кривизна простору вносить зневажливо малий внесок (менше 1%) в параметр Хаббла. Темп розширення Всесвіту зараз на 70% обумовлений саме темною енергією.
Більше не знають про неї нічого
Які ж властивості темної енергії відомі на даний час? Таких властивостей небагато, всього три. Але те, що відомо, може по справедливості викликати здивування.
Перше - це той факт, що на відміну від «нормальної» матерії темна енергія не нудьгується, не збирається в об'єкти типу галактик або їх скупчень - вона «розлита» по Всесвіту рівномірно. Це твердження, як і будь-яке, засноване на спостереженнях або експериментах, справедливе з певною точністю. Однак зі спостережень випливає, що відхилення від однорідності, якщо вони і є, повинні бути досить малі за величиною.
Про другу властивість ми вже говорили: темна енергія змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням. Цим темна енергія теж разюче відрізняється від нормальної матерії, яка гальмує розширення. Дві описані властивості свідчать про те, що темна енергія в певному сенсі відчуває антигравітацію, для неї є гравітаційне відштовхування замість гравітаційного тяжіння. Області з підвищеною щільністю матерії за рахунок гравітаційного тяжіння збирають речовину з навколишнього простору, самі ці області стискаються і утворюють щільні згустки. Для антигравітуючої субстанції все навпаки: області з підвищеною щільністю (якщо вони є) розтягуються через гравітаційне відштовхування, неоднорідності розгладжуються, і ніяких згустків не утворюється.
Третя властивість темної енергії полягає в тому, що її щільність не залежить від часу теж дивно: Всесвіт розширюється, обсяг зростає, а щільність енергії залишається постійною. Здається, що тут є протиріччя із законом збереження енергії. За останні 8 млрд років Всесвіт розширився вдвічі. Область простору, яка тоді мала, скажімо, розмір 1 м, сьогодні має розмір 2 м, її обсяг збільшився у 8 разів, у стільки ж разів збільшилася енергія в цьому обсязі. Незбереження енергії очевидне.
Насправді зростання енергії при розширенні Всесвіту не суперечить законам фізики. Темна енергія влаштована так, що розширюється простір здійснює над нею роботу, що і призводить до збільшення енергії цієї субстанції в об'ємі простору, що розширюється. Правда, розширення простору саме обумовлено темною енергією, так що ситуація нагадує барона Мюнхгаузена, що витягує себе за волосся з болота. І тим не менш протиріччя немає: у космологічному контексті неможливо ввести поняття енергії, що включає в себе енергію самого гравітаційного поля. Тож і закону збереження енергії, що забороняє зростання або вбивання енергії якоїсь форми матерії, теж немає.
Твердження про постійність щільності темної енергії теж ґрунтується на астрономічних спостереженнях, а тому теж справедливо з певною точністю. Щоб охарактеризувати цю точність, вкажемо, що за останні 8 млрд років щільність темної енергії змінилася не більше ніж в 1,1 рази. Це ми сьогодні можемо сказати з упевненістю.
Зазначимо, що друга і третя властивість темної енергії - здатність призводити до прискореного розширення Всесвіту і його сталість у часі (або, більш загально, дуже повільна залежність від часу) - насправді тісно пов'язані між собою. Такий зв'язок випливає з рівнянь загальної теорії відносності. У рамках цієї теорії прискорене розширення Всесвіту відбувається саме тоді, коли щільність енергії в ній або зовсім не змінюється, або змінюється досить повільно. Таким чином, антигравітація темної енергії та її складні відносини із законом збереження енергії - дві сторони однієї медалі.
Цим надійні відомості про темну енергію по суті і вичерпуються. Далі починається область гіпотез. Перш, ніж говорити про них, обговоримо коротко одне спільне питання.
Чому зараз?
Якщо в сучасному Всесвіті темна енергія дає найбільший внесок у повну щільність енергії, то в минулому це було далеко не так. Скажімо, 8 млрд років тому нормальна матерія була у 8 разів більш щільною, а щільність темної енергії була такою ж (або майже такою ж), як зараз. Звідси нескладно зробити висновок, що тоді співвідношення між енергією спокою нормальної матерії і темною енергією було на користь першої: темна енергія становила близько 13%, а не 70%, як сьогодні. Через те, що в той час головну роль відігравала нормальна матерія, розширення Всесвіту відбувалося. Ще раніше вплив темної енергії на розширення був зовсім слабким.
Отже, вплив темної енергії і викликане ним прискорення розширення Всесвіту - явища за космологічними мірками зовсім недавні: прискорення почалося «всього» 6,5 млрд років тому. З іншого боку, оскільки щільність нормальної матерії вбиває з часом, а щільність темної енергії - ні, темна енергія незабаром (знову-таки за космологічними мірками) буде повністю домінувати. Отже, сучасний етап космологічної еволюції - це перехідний період, коли темна енергія вже відіграє помітну роль, але розширення Всесвіту визначається не тільки їй, а й нормальною матерією. Чи є ця «виділеність» нашого часу випадковим збігом або за нею стоїть якась глибока властивість нашого Всесвіту? Це питання - «чому зараз?» - залишається поки відкритим.
Детальніше читайте: . Астрофізика. Троїцький варіант/Борис Штерн, Валерій Рубаков. - М.: АСТ, 2020. - 368 с.