Темные силы космоса или что представляет собой модель Λ-CDM
В предыдущих статьях описывалась теория инфляции и рассматривались её недостатки. В конце 1990-х она была значительно расширена. Современная Λ-CDM модель — это еще одна теория, включающая в себя Большой взрыв, инфляцию молодой Вселенной и некоторые нововведения, появившиеся уже в XXI веке.
Читайте также: Большого взрыва не было, была «инфляция»?
Космологическая постоянная Λ (лямбда) — это величина, введенная Эйнштейном. С ее помощью характеризуется скорость расширения Вселенной, или сжатия, если ее значение меньше определенного порога.
Сам Эйнштейн, как уже было сказано, изначально предполагал, что Вселенная статична, и ввел лямбду как небольшое отрицательное число. Сделал он это потому, что если принять лямбду за ноль, то получится, что Вселенная расширяется (динамична), то есть у пространства есть некоторая «кривизна».
Благодаря кривизне пространства материя разлетается в разные стороны, как камни, брошенные на вершину холма, катятся к его подножию взаимоудаляясь. Поначалу Эйнштейн не поверил в возможность существования такой модели. Однако вскоре Эдвин Пауэлл Хаббл, самый влиятельный американский астроном-космолог ХХ века, на практике подтвердил, что Вселенная расширяется, и Эйнштейну пришлось признать его правоту.
«Исторически член, содержащий „космологическую постоянную“ Λ, был введен в уравнения поля с целью теоретически объяснить существование конечной средней плотности в статической Вселенной. Однако теперь ясно, что в динамическом случае этой цели можно достичь, не вводя Λ» — написал Эйнштейн в более поздней своей работе.
Чем дальше ученые погружались в изучение космоса, тем больше необъяснимых загадок возникало. Например, было замечено, что звезды на краях галактик вращаются быстрее вокруг центра галактик, чем им следовало бы исходя из расчетной массы этих галактик. Это означает, что мы можем наблюдать и принимать в расчеты далеко не всю материю, которая действительно существует в космосе. Об этом также свидетельствуют расчетные модели образования галактик: было показано, что космические облака газа и пыли слишком разрежены, чтобы их гравитации хватило на образование галактик. А больше галактикам образоваться не из чего.
Проблема решалась введением в расчеты недостающей материи, которую в дальнейшем назвали «темной материей». Есть два варианта, из чего может состоять недостающая материя:
1) Обычная материя, не видимая в телескопы: черные дыры, нейтронные звезды, преонные звезды, иные потухшие звезды, планеты. Но этих объектов, по статистике наблюдений на близких расстояниях, где их можно различить, не так много, как этого требуют расчеты.
2) Неизвестные науке квантовые частицы, невидимые в электромагнитном спектре. Это означает, что такие частицы не испытывают электромагнитных взаимодействий, но создают гравитационные поля. «Ничего страшного и „темного“ в этой темной материи нет — просто свет через нее проходит свободно, и она сама свет не испускает. Более точно ее можно было бы называть прозрачной, или невидимой материей», — так описывает этот вариант темной материи уже современный российский физик-космолог Алексей Старобинский.
Научное сообщество остановилось на втором варианте. CDM — это cold dark matter — холодная темная материя. С тех пор эти частицы усиленно ищут, но весомых доказательств их существования не найдено. Имеется ряд сомнительных данных косвенного характера, но не более. В частности, проводятся эксперименты по поиску взаимодействия темной материи с обычной при помощи полей «слабых взаимодействий» или полей «сильных взаимодействий» (поля, встречающиеся в атомных ядрах, давно известные науке. На их основе строятся расчеты атомных реакций).
При этом темная материя косвенно наблюдается в космосе: ее гравитация влияет на прохождение света, создает так называемые «гравитационные линзы». Если вычесть из картинки от далеких объектов влияние обычной материи на их свет, то можно вычислить расположение темной.
Введя в модель мира загадочную темную материю, ученые решили проблему недостатка массы и тут же создали другую. По расчетам, масса темной материи превосходила массу обычной материи во Вселенной. (Сейчас считается, что обычная материя составляет всего 4% Вселенной.) Такое ее количество неизбежно должно влиять на баланс сил, расширяющих Вселенную, и гравитации, стремящейся ее сжать. Так как общая масса Вселенной возросла, то возросла и сила гравитационного поля. Неизбежно встал вопрос о том, как меняется скорость расширения во времени.
Так как эта величина очень мала (скорость если и меняется, то очень медленно), то измерить ее непосредственно — затруднительно. Кто-то из ученых считает, что темной материи достаточно мало, и Вселенная будет расширяться и дальше, постепенно снижая скорость, но никогда не останавливаясь. Другие полагают, что темной материи больше, чем показали расчеты, а значит, рано или поздно она остановит расширение и обратит его в сжатие. В конце концов это приведет Вселенную вновь в состояние сингулярности со всеми вытекающими отсюда теоретическими построениями. Эту модель назвали Теорией Большого схлопывания.
Введение темной материи в модель мира может показаться «подгонкой» неточных математических описаний этого мира, созданных человеком, под реальность. Но на этом ученые не остановились, потому что в 1998 году астрофизики Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан П. Шмидт установили, что Вселенная расширяется с ускорением.
Сверхновые типа la (облака пыли, получившиеся в результате взрыва гигантских звезд) — это достаточно известные «стандартные свечи». Этот термин означает, что объекты такого типа имеют постоянную хорошо известную яркость свечения. Их можно использовать для определения расстояния до тех областей космоса, где их удается обнаружить.
Исследуя объекты типа la, удалось установить, что расстояние до них больше, чем найденное при помощи параметра Хаббла, вычисленного еще в начале века. За это открытие Перлмуттер, Рисс и Шмидт получили премию Шао по астрономии и Нобелевскую премию. В дальнейшем их открытие было подтверждено измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования и другими практическими методами.
Новые данные заставили ученое сообщество пойти на очередной сомнительный шаг. Необходимо было ввести в действующую теорию некую энергию, которая не только препятствовала бы замедлению расширения (производимому гравитацией), но еще и ускоряла бы его. Эту энергию назвали «темной», продолжая смысловой ряд вслед за темной материей.
«Что нужно, чтобы Вселенная расширялась ускоренно? Ведь, как известно, обычная гравитация притягивает, и она должна замедлять расширение. Чтобы придать ускорение, во Вселенной должно присутствовать нечто, противодействующее гравитации. Это нечто обладает отрицательным давлением и действует во всех направлениях — эта концепция получила название „темной энергии“», — рассказывает Алексей Старобинский в одном из интервью.
Одно из самых простых объяснений существования такой энергии — это энергия вакуума. Действительно, согласно законам квантовой механики, вакуум не является абсолютно пустым: там постоянно рождаются и исчезают пары частица-античастица. В среднем количество частиц в вакууме остается равным нулю, но энергия его — больше нуля. Понятие энергии вакуума чем-то напоминает так называемый неуловимый «эфир» Лоренца-Пуанкаре. Предполагалось, что свет и радиоволны распространяются в некой упругой среде, частицы которой колеблются при прохождении волн. Все теории об эфире разрушил Эйнштейн в начале века, заменив их на Общую теорию относительности (ОТО). С тех пор эфиром называют само пространство.
Именно энергия вакуума обуславливает введение в ОТО космологической постоянной Λ. Но плотность этой энергии пока достоверно определить не удается.
Другое объяснение, которое уже упоминалось ранее — то самое скалярное поле. Оно отличается от энергии вакуума тем, что может иметь различную плотность в разное время и в разных точках космоса. Но оба объяснения практических доказательств не имеют. Делаются попытки объяснить Вселенную без помощи «темных сил». Но, например, астрофизик Ёзан Сиэгель заявил, что почти все профессиональные астрофизики уверены, что темная энергия существует. «Ни одна из альтернативных теорий не обладает такой объяснительной силой и не может прогнозировать космические явления с такой точностью, как Λ-CDM теория», — заявил он. Сегодня теория Λ-CDM является общепринятой.
Если все эти утверждения действительно верны, то сценарий конца Вселенной — это так называемый Большой разрыв. Все объекты, атомы и может даже квантовые частицы будут удалены на огромные расстояния, а затем и вовсе разорваны.
Команда, изучающая данные, полученные с помощью телескопа Планка, (исследующего реликтовое излучение), утверждала, что ею были получены исчерпывающие доказательства, согласно которым темная энергия остается неизменной с момента рождения Вселенной. Однако Гуидо Рисалити из Флорентийского университета и Элисабетта Луссо из Даремского университета утверждают, что получили данные, указывающие на нарастающий характер влияния темной энергии. Они изучали далекие квазары, свет от которых двигался к нам многие миллиарды лет. То есть возраст этих квазаров на момент наблюдения на Земле составляет всего миллиард лет с рождения нашей Вселенной. Расчеты показали, что величина темной энергии в ранней вселенной была меньше, чем сейчас.
«Некоторые ученые предположили, что для объяснения этой разницы может понадобиться новая физика, которая также могла бы объяснить усиление темной энергии, — делает вывод Рисалити. — Новые результаты согласуются с этим предположением».
Таким образом, несмотря на сто лет изысканий в области астрофизики и квантовой механики, ученые так и не ответили на главные вопросы: что породило вселенную, почему она так хорошо подходит для жизни, и что ее движет сегодня, что заставляет расширяться?
На этом описание общепринятой модели можно считать оконченным. Однако существует множество других теоретических построений и моделей развития нашей Вселенной. Некоторые альтернативные теории мы рассмотрим в следующей статье.
