Действительно ли существует тёмная энергия? (Часть 1)

В науке самые великие революции зачастую вызываются мелкими несоответствиями. В 16 веке, основываясь на том, что многими его современниками называлось эзотерическими деталями движения небесных тел, Коперник предположил, что Земля расположена вовсе не в центре вселенной. В наши дни, на наших глазах, разворачивается другая революция. Она началась 11 лет назад с открытия ускоряющейся вселенной. Крошечное отклонение яркости взрывающихся звезд принудило астрономов к пониманию того, что они понятия не имеют, из чего состоят 70 процентов космоса. Всё, что они могли сказать, это то, что космос заполнен веществом которое в отличие от любого нормального вещества, приводит к расширению вселенной, вместо того, чтобы сдерживать его. Это вещество было названо темной энергией.

Сегодня, несмотря на прошедшее десятилетие, существование темной энергии все еще является настолько озадачивающим, что некоторые космологи повторно проверяют фундаментальные постулаты, которые принудили их к выводу об существования этой энергии. Один из таких постулатов - продукт более ранней революции - принцип Коперника, гласящий что Земля не находится в центре или другой специальной точке вселенной. Если мы отказываемся от этого основного принципа, то появляются удивительные различные картины строения вселенной.

Большинство из нас очень знакомо с идеей, что наша планета - не что иное, как крошечное пятнышко, вращающееся вокруг обычной звезды, расположенной на краю ничем не примечательной галактики. Мы полагаем, что во вселенной населенной миллиардами галактик, которые разбросаны вдоль нашего космического горизонта, нет ничего специального или уникального в местоположении Солнце. Каковы же доказательства для этого космического смирения? И как мы можем доказать, что мы находимся в специальной точке? Астрономы типично заминают эти вопросы, предполагая то, что наша типичность не требует дальнейшего обсуждения. Для многих людей невероятно само понятие того, что у нас, фактически, может быть специальное положение во вселенной. Однако, именно это понятие недавно рассматривалось некоторыми группами физиков.

Как ни странно, принятие того, что мы незначительны, предоставило космологам большую объяснительную мощь. Это позволило им экстраполировать то что они видят возле Солнца на всю вселенную. Огромные усилия были предприняты для строительства современных моделей вселенной, основанных на космологическом принципе обобщения принципа Коперника, который заявляет, что в любой момент вовремя все точки и направления в космосе одинаковы. Объединяя наше современное понимание космоса со временем и материей, космологический принцип подразумевает, что космос расширяется, и вселенная становится всё более прохладной и что она населена реликвиями её горячего начала, что подтверждается наблюдениями.

Астрономы обнаружили, что свет отдаленных галактик является более красным, чем свет из соседних галактик. Это явление, названное красным смещением, аккуратно объяснено растягиванием световых волн из-за расширения космоса. Кроме того, микроволновые сенсоры показывают почти совершенно гладкий фон радиации - космический микроволновый фон, пережиток Большого Взрыва. Справедливости ради стоит отметить, что эти успехи - частично результат нашего собственного смирения, чем меньше мы упоминаем о нашей значимости, тем больше мы можем сказать о вселенной.

Темнота приближается

Итак, зачем раскачивают лодку? Если космологический принцип настолько успешен, почему мы должны подвергать его сомнению? Проблема состоит в том, что недавние астрономические наблюдения привели к некоторым очень странным результатам. За прошлое десятилетие астрономы обнаружили, что для данного красного смещения отдаленные взрывы сверхновых выглядят значительно темнее, чем ожидалось. Красное смещение измеряет расширение космоса. Измеряя красное смещение отдаленных сверхновых, космологи могут вывести, насколько маленькой была вселенная во время взрыва по сравнению с её сегодняшним размером. Чем больше красное смещение, тем меньше вселенная была тогда когда произошёл взрыв и следовательно тем больше расширилась вселенная.

Наблюдаемая яркость сверхновой звезды показывает её отдалённость, которая в свою очередь показывает, сколько времени прошло с того момента, когда произошёл взрыв. Если сверхновая звезда с данным красным смещением выглядит более тусклой, чем предполагали астрономы, то в принципе она должна находится дальше. Её свету потребовалось больше времени, чтобы дойти до нас и, следовательно, вселенной потребовалось больше времени, чтобы вырасти до текущего размера. Следовательно, в прошлом темп расширения вселенной должен был быть меньше. Фактически, отдаленные сверхновые достаточно тусклы и, следовательно, текущее расширение вселенной должно было ускориться, что бы соответствовать современным темпам расширения.

Это ускоряющееся расширение стало большим сюрпризом, принёсшим революцию в космологию. Ткань пространства-времени должна тормозить материю вселенной, однако данные наблюдения сверхновых звезд выглядят совсем иначе. Если космологи принимают космологический принцип и предполагают, что это ускорение происходит повсюду, то нас заставляют прийти к заключению, что во вселенной должна существовать экзотическая форма энергии - темная энергия, которая является источником отталкивающей силы.

В стандартной физической модели элементарных частиц и сил не встречается ничего похожего по описанию на темную энергию. Это – вещество, пока еще никем не измеренное, имеет свойства отличные от чего-нибудь, что мы когда-либо видели, и имеет плотность энергии приблизительно в 10120 раз меньше, чем мы наивно ожидали. У физиков имеются идеи насчёт того, что это могло бы быть, однако эти идеи так и остаются ничем не подкреплёнными гипотезами. Короче говоря, в вопросах тёмной энергии мы бродим в потёмках. Учёные разрабатывают несколько дорогих честолюбивых наземных и космических программ, направленных на поиск и определение темной энергии, независимо оттого, что она из себя представляет. Для многих учёных эта самая большая проблема, стоящая перед современной космологией.

Светлая альтернатива

Столкнувшись кое с чем столь странным и, по-видимому, столь невероятным, некоторых исследователей повторно пересматривают исконные рассуждения. Одно из первичных предположений, которые они подвергают сомнению - живем ли мы в особой части вселенной. Можно ли получить доказательства темной энергии другими способами или мы должны покончить с космологическим принципом?

Обычно мы говорим о расширении вселенной в целом. Это очень походит, когда мы говорим о взрыве воздушного шара: мы обсуждаем, насколько большим стал весь воздушный шар, а не то насколько раздувается каждый отдельный участок воздушного шара. Однако у нас у всех был опыт с раздражающими воздушными шарами, которые раздуваются неравномерно. Центр расширяется быстрее, а концы медленнее. В альтернативном представлении вселенной, которая выбрасывает за борт космологический принцип, космос также расширяется неравномерно. Таким образом, появляется более сложная картина космоса.

Неравное расширение космоса, вызванное изменениями в плотности материи в гигантских масштабах, может оказать влияние, которое астрономы традиционно приписывают темной энергии.

Рассмотрим следующий сценарий, который впервые был предложен Джорджем Эллисом (George Ellis), Чарли Хеллаби (Charles Hellaby) и Назимом Мустафой (Nazeem Mustapha) из университета Кейптауна в Южной Африке, и впоследствии развитый Парижской Обсерваторией. Предположим, что темп расширения замедляется повсюду, по мере того как материя тормозит его в пространстве-времени. Далее предположим, что мы живем в гигантской космической пустоте, которая конечно не полностью пуста, однако её средняя плотность материи в два, а то и в три раза меньше плотности в другом месте. Чем более пуст участок, тем меньше материи он содержит, чтобы замедлить расширение места; соответственно, местный темп расширения будет быстрее в пределах пустоты, чем в другом месте. Самый быстрый темп расширения наблюдается в самом центре пустоты и уменьшается к краю, где начинает проявляться более высокая плотность. В любой момент времени различные части космоса расширяются с различной скоростью, совсем как неравномерно надутый воздушный шарик.

Теперь вообразите сверхновые, взрывающиеся в различных частях этой неоднородной вселенной, некоторые близко к центру пустоты, другие ближе к краю, а некоторые вне пустоты. Если мы находимся около центра пустоты, а сверхновая звезда находится ближе к краю, то космос возле нас расширяется быстрее, чем это делает космос возле сверхновой звезды. Когда свет идёт от сверхновой звезды к нам, он проходит через области, которые расширяются быстрее. Каждая область вытягивает свет. Совокупный эффект выражается в наблюдаемом красном смещении. Свет, путешествующий на данное расстояние, имеет меньшее красное смещение чем, это было бы, если бы целая вселенная расширилась с нашим местным темпом. И наоборот, чтобы достигнуть определенного красного смещения в такой вселенной, свет должен путешествовать на большее расстояние, чем в однородно расширяющейся вселенной, тогда сверхновая звезда должна находиться дальше и поэтому казаться более тусклой.

Другое объяснение состоит в том, что изменение ускорения подражает изменению времени. Таким образом, космологи могут объяснить неожиданные наблюдения сверхновых звезд, не используя темную энергию. Для работы такого альтернативного объяснения мы должны были бы жить в пустоте поистине вселенских масштабов. Наблюдения сверхновой звезды простираются на миллиарды световых лет - существенная часть всей видимой вселенной. Пустота должна была бы иметь такой же размер.

По материалам Scientific American