Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Вакуум Глинера возродился в космологии современной Вселенной в виде так называемой темной энергии. Это не гипотетический первичный вакуум, а реальный вакуум, обнаруженный при космологических наблюдениях. Темная энергия невидима и проявляет себя только антигравитационным влиянием на движение галактик. Ее макроскопические свойства как среды известны благодаря Глинеру, но ее внутренняя микроскопическая структура до сих пор совершенно загадочна.
Как было рассказано в главе 23, плотность темной энергии впервые измерили на очень больших расстояниях в миллиарды световых лет, используя сверхновые как стандартные свечи. Но похоже, что ее влияние сказывается и на меньших расстояниях в несколько миллионов световых лет, в окрестностях Галактики. Это выяснила международная группа, включающая некоторых авторов этой книги. В обоих случаях хаббловский поток расширения служит естественным инструментом для обнаружения силы отталкивания темной энергии. Фактически гравитация массы Местной группы и антигравитация темной энергии компенсируют друг друга в удивительной близости от нас — недалеко от границы Местной группы, на расстоянии, всего лишь примерно вдвое превышающем расстояние до галактики Андромеда! По движению галактик на таких расстояниях определена «локальная» плотность темной энергии, которая оказалась близкой к «общей» ее плотности или даже в точности равной ей. Это говорит об удивительном факте: антигравитация Эйнштейна действительно является вездесущим явлением во Вселенной, таким же, как гравитация Ньютона.
Самое начало.В эпоху Античности Платон утверждал, что время появилось вместе с небесами (или пространством). С тех пор мы прошли длинный путь, но постоянно возвращаемся к фундаментальному вопросу: откуда все взялось и как это все начиналось? Вселенная, которую мы видим вокруг себя, каким-то образом возникла в Большом взрыве, но мы не знаем как. Хотя здравый смысл подсказывает нам, что бесплатных обедов не бывает, но все же: если вакуум может самопроизвольно заполнять себя частицами, хотя бы и короткоживущими, то почему вся Вселенная не могла возникнуть из ничего? В конце концов, почему бы и не быть бесплатному обеду, и не только в виде еды, но и в форме целого материального мира?
Такие идеи теоретики обсуждают в рамках квантовой космологии. Когда Вселенная была очень молодой, даже моложе, чем упомянутые ранее 10-32 секунды после Большого взрыва, тогда для Вселенной как целого действовал принцип неопределенности Гейзенберга. Квантовые эффекты становятся доминирующими, когда мы уходим в прошлое к так называемому времени Планка, 10-43 секунды после Большого взрыва. В эту эпоху само понятие времени становится таким запутанным, что не имеет смысла говорить о более ранних моментах времени. Соответственно и у энергии возникает такая гигантская неопределенность, что Вселенная могла бы возникнуть «из ничего». Быть может, великий принцип Гейзенберга откроет перед нами возможность хотя бы в принципе понять, как пространство и время родились 14 млрд лет назад в их особом состоянии, из которого они эволюционировали в то, что мы сегодня имеем. Детали всего этого пока известны очень плохо.
Глава 25 Темная сторона Вселенной
Невидимое вещество пришло в астрономию в XIX веке, когда Фридрих Бессель сделал вывод, что крошечные движения Сириуса на небе вызваны обращением вокруг него темного тела. Этот спутник Сириуса, белый карлик, был обнаружен позднее, в 1862 году, когда талантливый американский оптик Алван Кларк испытывал объектив для нового телескопа диаметром 46 см. Бессель не дожил до этого открытия, но он был убежден, что у Вселенной свои темные секреты: «Нет причин считать, что сияние является неотъемлемым свойством небесных тел. Бесчисленность видимых звезд не исключает существования такого же множества невидимых». Как мы уже говорили, спутник Сириуса — тусклый и плотный белый карлик — не совсем лишен свечения, однако сейчас астрономы говорят об ином и притом совершенно темном веществе.
Открытие темной материи в скоплении Волосы Вероники.Исследование темной материи началось в 1933 году, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974), эмигрировавший в 1925 году в США, заметил, что галактики в скоплении Волосы Вероники (Coma; рис. 25.1) движутся относительно друг друга слишком быстро. Чтобы удержать галактики в пределах скопления, оно должно иметь массу, намного превышающую суммарную массу его галактик. Цвикки подсчитал, что скопление в основном состоит из темной материи и только малая его часть состоит из видимого вещества. По современным оценкам, необходимое количество темной материи должно в десять раз превышать количество видимого вещества.
А можно ли объяснить большой разброс скоростей галактик без гипотезы о темной материи? В 1956 году армянский астроном Виктор Амазаспович Амбарцумян (1908–1996) из Бюраканской обсерватории близ Еревана предположил, что скопления галактик в целом могут находиться в состоянии расширения. В этом случае нет, необходимости в наличии большой массы темной материи. Однако позже наблюдения показали, что центральная область скопления Coma состоит из двух субскоплений. Эти два уплотнения из темной материи отмечены двумя ярчайшими галактиками с их спутниками. Они явно обращаются друг вокруг друга, как звезды в двойной системе, но в значительно большем масштабе.
Рис. 25.1. Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (Coma Berenices). Оно в пять раз дальше ближайшего к нам скопления в Деве (Virgo). Некоторые яркие точки — это звезды нашей Галактики, они на переднем плане. Размытые пятнышки — это далекие галактики, в основном из скопления Coma. Обратите внимание на две крупные галактики в центре скопления. (NASA/JPL–Caltech/GSFC/SDSS).
В основном ускорение галактик вызвано их притяжением к темной материи, заключенной в этих двух субскоплениях. Но ситуация усложняется ввиду двойственности центральной массы. Обычная галактика, попадая в центральную область скопления Coma, становится членом тройной системы, в которой два других тела — это темные субскопления. Как мы уже знаем, система из трех тел в большинстве случаев неустойчива: рано или поздно одно из тел будет выброшено из системы. В нашем случае этим телом станет самый легкий член системы — влетевшая туда галактика, которая в результате взаимодействия с субскоплениями получает дополнительную скорость. При этом ее энергия может стать достаточной для того, чтобы вообще покинуть скопление. Некоторые галактики в скоплении Coma, без сомнения, находятся на орбите убегания, так что в какой-то степени Амбарцумян был прав. Но предположение, что скопление как целое удерживается темной материей, в последние годы становится все более убедительным. В целом идея Цвикки была верной: большинство галактик в скоплении Coma связаны вместе притяжением темной материи.
Темная материя в спиральных галактиках.Изучать темную материю немного легче в спиральных галактиках, где звезды и газовые облака обращаются вокруг центра галактики в довольно плоском диске. При измерении движения звезд и газа вдали от центра галактики обнаруживаются настолько высокие скорости вращения, что их нельзя объяснить действием суммарной массы обычных звезд внутри орбиты. В первом приближении суммарную массу звезд можно определить по полному количеству излучаемого ими света, если известно, сколько света излучает типичная звезда средней массы. В качестве таковой можно взять Солнце, для которого точно известна и масса, и мощность излучения (светимость). Суммарное излучение звезд галактики, умноженное на отношение массы Солнца к его светимости, дает полную массу обычных звезд, намного меньшую, чем полная масса галактики, определенная по орбитальному движению далеких звезд и облаков. Кажется, что в галактике кроме звезд и газа есть еще какое-то вещество, которое вносит большой вклад в общую массу галактики. Обычно предполагают, что темная материя находится в более или менее сферическом гало вокруг галактики.
Наличие массивных гало вокруг галактик впервые предположили эстонские астрономы Яан Эйнасто и его коллеги в 1970-х годах, и приблизительно тогда же эту идею высказали Джеремая Острайкер и Джим Пиблз. Позже существование гало надежно доказали американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд, детально изучившие вращение спиральных галактик. В 2002 году Веру Рубин наградили престижной Груберовской космологической премией за роль в открытии темной материи. (Пиблз получил свою Груберовскую премию в 2000 году за теоретические работы по космологии.)
Мы не знаем, из чего состоит эта темная материя. Ясно, что она обладает массой и оказывает гравитационное влияние, но это и все, что о ней известно после десятков лет изучения. Поэтому иногда раздаются голоса, что, возможно, темной материи вообще не существует. Быть может, слишком большие значения масс получаются из-за неточности «взвешивания» галактик и их скоплений или же даже из-за неизвестных свойств ньютоновской гравитационной силы? Однако регулярно поступают новые независимые свидетельства того, что темная материя все же есть.
