background image
суббота
k
140, 10 декабря 2011 г.
ОЧЕВИДНОЕ НЕВЕРОЯТНОЕ
Для того чтобы лучше узнать свой
ства нашей Вселенной, будущие лау
реаты использовали космический те
лескоп имени Хаббла, с помощью ко
торого можно наблюдать самые дал
кие объекты.
Надо сказать, работа эта
напрямую связана со знаменитой ошиб
кой Эйнштейна, когда великий учный
попытался применить созданную им
общую теорию относительности для
описания Вселенной. Это оказалось не
так то просто. Согласно многовековым
представлениям, Вселенная считалась
вечной, неизменной и незыблемой. В
формулах Эйнштейна она представала
меняющейся и динамичной. Чтобы вер
нуть ей покой, учный ввл в свои урав
нения новый элемент так называе
мую космологическую константу, ко
торую ещ называют лямбда членом.
Казалось бы, вс встало на свои места.
Однако в 1929 году выдающийся аме
риканский астроном Эдвин Хаббл, име
нем которого впоследствии назвали
орбитальный телескоп, выяснил, что
Вселенная расширяется, и константе
Эйнштейна в ней места нет. Лямбда
член сошл с астрономической трибу
ны. Но не навсегда.
В 1998 году Перлмуттер, Райсс и
Шмидт использовали метод, основан
ный на изучении вспышек далких
сверхновых звзд. Физикам известен
тип сверхновых, которые они называ
ют стандартными свечами: их соб
ственная светимость в максимуме блес
ка меняется в довольно узких преде
лах. Это их свойство лежит в основе
метода определения самых больших
космологических расстояний. В наблю
дениях сверхновых определяются ви
димый блеск звезды, по которому мож
но рассчитать расстояние, отделяющее
е от Земли, а также красное смещение
спектральных линий, позволяющее
вычислить скорость, с которой звезда
удаляется от нас. Сопоставление ре
зультатов этих измерений позволило
сделать удивительный вывод: чем даль
ше от нас звезда, тем выше скорость е
убегания. А это значит, что Вселен
ная расширяется с ускорением, а вовсе
не с замедлением, как считалось рань
ше. Космологический член Эйнштейна
опять пригодился.
Из классической механики следует,
что ускоренное разбегание Вселенной
возможно только в том случае, когда
на звзды и галактики действует сила,
противодействующая тяготению, ан
тигравитация. Казалось бы, такое не
возможно, ведь источником антигра
витации может служить только косми
ческий вакуум, а вакуум, как мы при
выкли считать со школьной скамьи,
это пустота, в которой ничего нет. Ока
зывается, это совсем не так.
Многих теоретиков это утверждение
смущает. Чтобы скрыть смятение, они
предпочитают говорить о тмной энер
гии.
Однако что это за энергия, никто
не знает, и рассуждения о ней напоми
нают поиск чрной кошки в тмной
комнате. Разрабатываются различные
теоретические модели, позволяющие
разгадать е природу, но все эти моде
ли далеки от завершения.
Однако если космический вакуум
содержит энергию, значит, можно рас
считать е величину. Нобелевские лау
реаты это сделали. В пересчте на ус
ловно бесконечные размеры Вселен
ной эта отрицательная величина при
обретает поистине грандиозный раз
мах. Иначе говоря, в космическом ва
кууме, который мы считали ничем,
содержится целый океан скрытой энер
гии. Впрочем, это свойство космичес
кого вакуума предполагали ещ наши
далкие предки античные учные.
Греческое понятие мэон, или ваку
ум, точнее всего перевести как ничто,
в котором заключено вс. Под всем
они подразумевали не только энергию,
но и вселенский банк информации,
хранилище смыслов, и, вероятно, были
недалеки от истины. Поэтому в совре
менной космологии и философии на
уки при описании свойств космическо
го вакуума нередко употребляется тер
мин семантическое пространство Все
ленной. Таким образом, то, что вчера
Ничто, в котором вс
казалось ничем, сегодня становится
всем не только для историков науки, но
и для астрономов.
Количественную связь между плот
ностью вакуума и его давлением тео
ретически ещ в 1967 году исследовал
советский физик Яков Зельдович. Кро
ме него проблемой плотности энергии
вакуума занимался
Ричард Фейнман,
который пришл к выводу, что сумма
флуктуаций (возмущений) космичес
кого вакуума является бесконечной
величиной. Однако вопрос, что такое
бесконечность, мучает не только ро
мантиков и детей младшего школьно
го возраста, но и серьзных учных.
Надеясь в будущем отказаться от бес
конечно большой энергии вакуума, те
оретики думали, что когда нибудь бу
дет найден способ обрезания частот,
и тогда вместо бесконечности появит
ся конечная энергия. Пока этого не
получается, и нам приходится смирить
ся с тем, что вокруг нас разлит океан
энергии, берегов которому не видно.
Ещ до обнаружения антигравита
ции в космологии было сделано дру
гое фундаментальное открытие фе
номен так называемых скрытых масс,
которые нередко путают с тмной энер
гией.
У многих галактик гигантов есть
спутники более мелкие галактики.
Есть такие спутники и у нашей Галакти
ки. Их называют Магеллановыми Об
лаками. В соответствии с законом Кеп
лера, с увеличением расстояния от цен
тра основной Галактики скорость их
убегания должна убывать. Но измере
ние скоростей показало, что этого не
происходит, они остаются постоянны
ми. На этом основании астрономы пред
положили, что в Галактике, кроме ви
димых звзд, имеются и другие тяготе
ющие массы, причм распределнные
по большому объму вокруг централь
ного Галактического диска. Эти массы
и назвали скрытыми: до недавнего вре
мени было принято считать, что, раз
они не светятся, то и обнаружить их с
помощью стандартных средств наблю
дения невозможно.
Но, оказывается, скрытую массу
можно наблюдать, причм с помощью
оптических методов. Для этого исполь
зуется эффект гравитационной лин
зы. Представим себе ситуацию, что
за большой по размеру скрытой мас
сой находится далкая галактика,
говорит
главный научный сотрудник
Института космических исследований
РАН, директор Института астрофизики
Общества им. Макса Планка (Герма
ния), академик Рашид Сюняев
. Е
излучение под влиянием гравитацион
ного воздействия скрытой массы бу
дет искажаться. В результате земной
наблюдатель увидит не одну, а две со
вершенно одинаковые галактики и при
дт к выводу о том, что сработал эф
фект гравитационной линзы, роль
которой сыграла скрытая масса. Изу
чая детальные характеристики этого
наблюдения, можно многое узнать о
физических свойствах скрытой мас
сы.
Феномен скрытых масс наблюдает
ся и у других галактик, образуя вокруг
их ядра весьма протяжнную сфери
ческую корону. Согласно последним
данным, сфероидальная корона нашей
Галактики простирается от е диска на
650 тысяч световых лет. Чтобы уравно
весить наблюдаемое движение звзд и
галактик спутников, в этой короне дол
жна быть сосредоточена масса, значи
тельно превышающая массу всех ви
димых звзд. Что представляет собой
строительный материал короны? На
эту роль астрономы предлагают раз
ных кандидатов: потухшие звзды, чр
ные дыры, остывшие белые карлики,
межзвздная пыль или даже реликто
вые нейтрино, возникшие при Боль
шом взрыве.
Так или иначе, но астрономам уда
лось посчитать среднюю плотность
скрытой массы во Вселенной. Средняя
плотность вещества светящихся звзд,
как и плотность энергии вакуума, изве
стна. Если выразить соотношение этих
цифр в процентах, то легко убедиться,
что основная часть энергии мира
67% (по другим оценкам 75%)
приходится на космический вакуум, или
тмную энергию, которую мы никак не
можем обнаружить. На скрытую массу,
обнаруживающую себя гравитацией,
30%, а на обычное вещество, все звз
ды, планеты и наш с вами мир всего
3%. Поистине у нас есть все основания
называть нашу Вселенную неизвест
ной!
Поразительно, что самой массивной
средой во Вселенной оказался косми
ческий вакуум. Человечество варит
ся в этом предельно насыщенном
энергетическом коктейле, не заме
чая этого.
Открытие антигравитации космичес
кого вакуума проливает свет на буду
щую судьбу Вселенной.
Поскольку
плотность вакуума постоянна, а рас
ширение Вселенной происходит с ус
корением, она будет расширяться нео
граниченно долго. Средняя плотность
вещества будет при этом вс время
убывать, а силы тяготения никогда
больше не смогут преобладать во Все
ленной.
Одновременно становится более яс
ной и предшествующая история Все
ленной. На ранних этапах е эволюции,
когда уже возникли тяготеющие массы
(сначала скрытая масса, кварк глюон
ная плазма, а затем атомы), господ
ствующую роль играли силы всемир
ного тяготения. При возрасте мира 6
8 миллиардов лет плотность скрытой
массы упала до современного значе
ния. Если будут открыты сверхновые,
находящиеся от нас на этом расстоя
нии, этот эффект должны будут под
твердить точные измерения космоло
гического расширения.
Что было до этого? Начиная с откры
тия Хаббла, учные приходили к одно
значному выводу, что сразу после Боль
шого взрыва Вселенная расширялась
чрезвычайно быстро, а потом этот про
цесс постепенно стал замедляться. Ведь
масса, которой обладает материя во
Вселенной, точнее, свойственная ей
гравитация должна была бы постепен
но тормозить расширение Вселенной.
Теперь, когда открыта антигравитация,
стало ясно, как заблуждались астро
физики, думая, что замедление про
должается. Самое удивительное, что
в первые 7 8 миллиардов лет Все
ленная действительно расширялась с
замедлением, и изучение реликтового
излучения подтверждает этот факт,
объясняет Рашид Сюняев. Лишь
когда Вселенная достаточно расшири
лась, разгоняющий е вакуум стал на
бирать силу. Началось ускорение, ко
торое продолжается сегодня.
Что будет дальше? Астрофизики
приходят к выводу, что распределение
вакуума по Вселенной изотропно: его
плотность постоянна и однородна по
всюду, во всех е уголках. Но раз ваку
ум неизменен, то и свойства простран
ства времени, которые он определяет,
также должны быть инвариантными.
Мир, в котором господствует вакуум, в
межзвздных масштабах должен под
чиняться геометрии Евклида и быть
неизменным во времени. Следователь
но, эволюция мира постепенно затуха
ет, его пространственно временной
каркас, на фоне которого продолжает
ся космологическое расширение, ста
новится вс более статичным. Что по
том? Вероятно, начнтся новый виток
истории мира замедление расшире
ния и сжатие Вселенной в одну точку.
Так полагают сторонники теории за
крытой Вселенной, утверждающие,
что она, подобно человеческому серд
цу, пульсирует, то сжимаясь, то расши
ряясь. Таким образом, Вселенная, со
гласно этой теории, представляет со
бой гигантский вечный двигатель, что
порождает новые вопросы. Например,
какие механизмы запускают этот про
цесс и поддерживают его в неизмен
ном состоянии? В то время как сторон
ники теории открытой Вселенной
считают, что она будет расширяться
бесконечно долго, становясь вс более
холодной, пустой и мртвой.
Интересно, что сейчас данные по
сверхновым уже не считаются лучшими
аргументами в пользу ускоренного рас
ширения Вселенной, говорит
доктор
физико математических наук, старший
научный сотрудник Государственного
астрономического института имени П.К.
Штернберга МГУ Сергей Попов
. Се
годня мы имеем большой комплекс не
зависимых данных, говорящих в пользу
того, что около 70% плотности Вселен
ной определяется чем то непонятным,
тем, что мы условно называем тмной
энергией. Но, несмотря на все дискус
сии о данных по сверхновым, основные
выводы работ 1998 года были правиль
ными. Так что и премия абсолютно зас
луженная.
Что это за данные? К ним напрямую
причастны наши соотечественники. В
2009 году
сотрудник Института косми
ческих исследований РАН и Гарвард
Смитсонского астрофизического цен
тра США, доктор физико математичес
ких наук Алексей Вихлинин
получил
престижную премию Бруно Росси имен
но за исследования свойств тмной
энергии. Интернациональная группа
учных из пяти стран под руководством
Алексея Вихлинина решила взглянуть
на эту проблему под другим углом
разогнать космический мрак не с по
мощью сверхновых, а с помощью про
цесса разбегания галактик, которые эта
энергия расталкивает.
С помощью мощных оптических и
рентгеновских телескопов по всему
миру, а также американской косми
ческой обсерватории Чандра мы не
сколько лет изучали наиболее мас
сивные скопления из тысяч галактик,
подобных нашей, рассказывает уч
ный. Выяснилось, что если в пери
од молодости Вселенной галактики ак
тивно прибавляли в массе, то пример
но 5 миллиардов лет назад начали ак
тивно худеть. С тех пор массы галак
тических скоплений не растут.
Группе Вихлинина удалось внести
некоторую ясность в абсолютно тм
ный вопрос о природе загадочной
энергии. Учные описали е свойства
числом, физический смысл которого
можно сравнить с жсткостью пружи
ны именно с такой силой тмная
энергия расталкивает галактики. Инте
ресно, что она практически равна кос
мологической константе, введнной
Эйнштейном в уравнение общей тео
рии относительности. От величины
этой жсткости зависит будущее Все
ленной, говорит Вихлинин. Если
она такая, как мы сегодня наблюдаем,
то есть близка к минус единице, то
тмная энергия не сможет растащить
находящиеся по соседству галактики,
например наш Млечный Путь и туман
ность Андромеды. Под действием сил
тяготения они в конце концов сольют
ся, что сейчас уже наблюдается. Но на
больших расстояниях тмная энергия
возьмт сво, и галактики в конце кон
цов уплывут за горизонт нашего мира.
Значит, в будущем останется один ог
ромный потомок Млечного Пути и ту
манности Андромеды, вокруг которого
не будет ничего.
Что станет с родной Вселенной, если
жсткость окажется намного мень
ше минус единицы? Тогда расшире
ние будет происходить более быстры
ми темпами, и дело может кончиться
большим разрывом: вначале галактик,
потом Солнечной системы, планет, дру
гих небесных тел, предупреждает
ученый. Какой сценарий окажется
более правдоподобным, должны пока
зать предстоящие эксперименты.
Понять природу тмного вещества
учные надеются и при помощи Рос
сийско германской орбитальной аст
рофизической обсерватории Спектр
Рентген Гамма, запуск которой зап
ланирован на 2012 год. Эта уникаль
ная программа поможет учным под
робнее изучить структуру Вселенной и
понять, какую роль в е эволюции иг
рает тмная энергия, говорит Рашид
Сюняев. Обсерватория предназна
чена для обзора всего неба зеркальны
ми рентгеновскими телескопами в ж
стком диапазоне энергий. Ожидается,
что в результате работы обсерватории
будет обнаружено около 100 тысяч
новых скоплений галактик и более 3
миллионов новых активных ядер га
лактик, в центре которых, предполо
жительно, находятся сверхмассивные
чрные дыры.
На основе данных о скоплениях га
лактик будет получена информация о
крупномасштабной структуре Вселен
ной. Галактики во Вселенной не стоят
на месте, уверен Рашид Сюняев.
Они перемещаются, сливаются, обра
зуют новые формы. Именно это может
случиться и с нашей галактикой
Млечным Путм, в которую буквально
врежется галактика туманность Анд
ромеды. Когда сольются две галакти
ки, наша Солнечная система почувству
ет необычайное ускорение. Нас выбро
сит из плоскости нашей галактики. Это
будет удивительный полт через кашу
звзд двух сливающихся галактик.
Успокаивает то, что случится это не
раньше чем через три миллиарда лет.
Какова структура Вселенной и какое
будущее е подстерегает? Что пред
ставляет собой тмная энергия? Оди
ноки ли мы во Вселенной? Каким обра
зом на Земле возникла жизнь и уни
кально ли это явление? Сейчас нам
кажется, что ответов на все эти вопро
сы мы не получим никогда, говорит
Рашид Сюняев. Первые мореходы
тоже думали, что у океана нет границ,
так и нам кажется, что Вселенная бес
конечна. Но сейчас мы, как те морехо
ды, стоим на пороге настоящей миро
воззренческой революции, и готовит
е именно астрофизика. Думаю, уже в
ближайшие 20 лет мы сможем с боль
шой точностью описать основные свой
ства Вселенной, узнать физические
характеристики тмной энергии, а в
более отдалнном будущем научить
ся использовать е для решения энер
гетических проблем человечества.
Звучит заманчиво, но верится с тру
дом. Ведь даже те 3%, что подвластны
нашему осязанию, полны загадок. Мы
толком не знаем, как работает наш мозг;
называем феноменом человеческое со
знание, да и сам факт жизни; не ведаем,
что творится в недрах родной планеты и
на океаническом дне; открываем законы
физики, которые тут же опровергаем
Что уж говорить о тмной энергии и
скрытой массе, тайны которых пока скры
ты для нас за семью печатями.
Наталия ЛЕСКОВА
Закон Всемирного
антитяготения
Наступила темнота
Скрыто, но видно
Что было, что будет?
Сверхновые уже не внове
(Продолжение. Начало на с. 1)
Подробнее о тайнах тмной энер
гии и других нераскрытых загад
ках современной науки можно про
честь в имеющихся в редакции Ка
лининградской правды книгах
профессора Л.В. Лескова.
Тел. 511 52 29.