Скопления галактик и темная энергия
Ученые: скорость расширения космического пространства не падает, а, напротив, возрастает
Концепция темной энергии буквально ворвалась в космологию и астрофизику в конце прошлого десятилетия. Произошло это благодаря двум интернациональным астрономическим коллективам, которые базировались в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и в Астрофизическом центре Гарвардского университета и Смитсоновского института. Обе группы планировали выяснить, как именно меняется со временем скорость расширения Вселенной. В то время никто не сомневался, что эта скорость постепенно падает, поскольку тяготение космической материи тормозит раздувание пространства. Ученые просто хотели точно определить темпы этого падения. Решение этой задачи позволяло найти среднюю плотность материи во Вселенной и тем самым установить величину кривизны пространства-времени. Как этого добиться? Предположим, что по Вселенной разбросаны объекты, которые светятся с одной и той же интенсивностью. Они расположены на неодинаковых расстояниях от нашего Солнца, и, следовательно, дошедший до нас свет излучен в разное время. Если Вселенная расширяется с неизменной скоростью, то по пути к Земле свет должен будет пройти большую дистанцию, чем при ее замедленном расширении. Отсюда следует, что в первом случае его видимая яркость будет меньше, чем во втором. А если Вселенная разбухает с ускорением, космические маяки будут выглядеть даже еще тусклее. Однако где же взять такие звездные эталоны? Астрономам повезло – природа подарила им сверхновые типа Ia. Эти светила в пике своей активности обладают примерно одинаковой светимостью, которая в четыре миллиарда раз превышает светимость Солнца. Это постоянство не абсолютно, отклонения от среднего уровня достигают 20%-30%, но с этим осложнением можно справиться. Конечно, на практике подобные наблюдения сопряжены с гигантскими техническими трудностями (необходимо принимать в расчет космическую пыль и много чего еще). И все-таки они вполне осуществимы. К концу 1997 года оба коллектива собрали достаточно данных, чтобы утверждать, что с расстояния в 5 миллиардов световых лет сверхновые посылают на Землю меньше света, чем предписано всеми моделями замедляющегося расширения Вселенной. Свои результаты они представили в двух статьях, опубликованных в 1998 и 1999 годах. Общий вывод был однозначен – скорость расширения космического пространства не падает, а, напротив, возрастает. Отсюда следует, что в масштабах всего космического пространства действует какая-то сила всемирного отталкивания, антитяготение. Астрономы и астрофизики согласились с этими заключениями с редким единодушием. Известный американский физик-теоретик Майкл Тернер предложил назвать источник космической антигравитации темной энергией. В последующие годы результаты стратосферных и космических измерений реликтового микроволнового излучения позволили очень точно определить долю темной энергии в общем энергетическом балансе Вселенной – целых 74%. Новые астрономические наблюдения также показали, что на протяжении первых 8 миллиардов лет после Большого Взрыва Вселенная расширялась с замедлением скорости. Однако со временем антигравитация победила всемирное притяжение, и скорость космического расширения стала возрастать. Поскольку возраст Вселенной составляет чуть меньше 14 миллиардов лет, нетрудно подсчитать, что произошло это где-то 5-6 миллиардов лет назад. До недавнего времени сам факт ускоряющегося расширения Вселенной непосредственно подтверждался только оптическими наблюдениями сверхновых звезд. Однако наука не стоит на месте. Только что большая группа астрофизиков и космологов получила новое доказательство реальности темной энергии с помощью методов рентгеновской астрономии. В их проекте были использованы данные, собранные аппаратурой американского орбитального рентгеновского телескопа «Чандра». Руководство НАСА сочло эту работу настолько важной, что обнародовало ее результаты на специальной пресс-конференции, организованной 16 декабря. Статья с их изложением 10 февраля появится в Astrophysical Journal. Новое исследование возглавил Алексей Вихлинин, который работает в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре и в Институте космических исследований Российской академии наук. О том, что удалось сделать, он рассказал Русской службе «Голоса Америки». Алексей, объясните для начала, как именно Ваша группа подтвердила наличие темной энергии? Мы вели наблюдения за самыми крупными структурами Вселенной, скоплениями галактик. Разумеется, эти объекты были выбраны отнюдь не случайно. Дело в том, что параметры их роста в принципе зависят от темпов расширения космического пространства. Чем выше эти темпы, тем медленнее рост. Отсюда следует, что на основе данных о рождении галактических кластеров можно судить о том, как эволюционирует наша Вселенная. Конкретно, дело вот в чем. Отдельные галактики стягиваются в скопления благодаря взаимному притяжению. Однако одновременно они стремятся улететь друг от друга – просто потому, что Вселенная расширяется. Медленное расширение слабо противодействует стягиванию галактик, быстрое – заметно сильнее. В нашей Вселенной такой эффект проявляется только в масштабах порядка десятков миллионов световых лет, а это как раз характерные размеры скоплений. Поэтому их и надо наблюдать. Но ведь такие наблюдения можно проводить разными способами. Почему Ваша группа воспользовалась именно рентгеновским телескопом «Чандра»? При образовании галактических кластеров космический газ так сильно разогревается, что начинает испускать рентгеновские лучи. Аппаратура «Чандры» настолько чувствительна, что дает возможность заметить эти излучения даже в тех случаях, когда их источники удалены от нас на многие миллиарды световых лет. Более того, она также позволяет измерить массу формирующихся скоплений. Таким вот способом мы и установили, как вели себя скопления галактик на протяжении последних пяти с половиной миллиардов лет. Что же получилось? То, что и ожидалось. Галактические кластеры в это время росли медленней, чем они бы это делали, если бы скорость расширения Вселенной была постоянной или уменьшалась. Следовательно, она возрастает. Что и требовалось доказать. Но это не все. В принципе нам известны структурные характеристики Вселенной сразу после ее рождения, поскольку их следы сохранились до наших дней в спектре реликтового микроволнового излучения. Наши новые промеры, как я уже сказал, относятся к тому фрагменту истории Вселенной, который начался пять с половиной миллиардов лет назад, через 8 миллиардов лет после Большого Взрыва. Анализ этих данных позволяет утверждать, что на протяжении тех восьми миллиардов лет крупномасштабные структуры Вселенной росли быстрее, чем впоследствии. Таким образом, мы подтвердили, что темная энергия подключилась к управлению эволюцией Вселенной за пять с половиной миллиардов лет до нашего времени. Такой же результат дают и наблюдения сверхновых, но мы-то пришли к нему совершенно независимо. Не могу не спросить, что же такого особенного тогда случилось? Простейшая модель темной энергии утверждает, что ее плотность не меняется со временем. А вот плотность обычной и темной материи, которые связаны взаимным притяжением, естественно, постепенно падает, поскольку объем пространства растет. Это означает, что, в конце концов, темная энергия начинает доминировать, и антигравитация побеждает гравитацию – на наше счастье, пока только в масштабах всего Космоса. Можно предположить, что именно это и случилось пять с половиной миллиардов лет назад. Однако даже если эта модель и верна, она не может объяснить, почему темная энергия приобрела именно ту плотность, которую она сегодня имеет. Ответить на этот вопрос пока что невозможно. 12 лет назад о существовании темной энергии вообще никто не знал, да и термина этого не было. Как много сделано за это время! Да, это верно, Дух иногда захватывает. А вот комментарий другого участника проекта – профессора астрономии и астрофизики Чикагского университета Андрея Кравцова. Вот что важно для начала подчеркнуть. Тот способ, которым мы зарегистрировали ускорение расширения Вселенной, существенно отличается от методов, которые использовались до этого. Поэтому он не страдает от тех же систематических ошибок (хотя, конечно, может иметь свои собственные). Так что теперь можно с куда большей уверенностью утверждать, что космологическое ускорение действительно существует. А вот другой важный момент. Космологам и физикам очень важно знать, как именно плотность темной энергии связана с ее давлением. Такие сведения совершенно необходимы для понимания природы темной энергии, которая пока никому не известна. Изучение эволюции галактических скоплений как раз и позволяет уменьшить неточности в получении этой информации. Наша работа вновь показала, что свойства темной энергии очень похожи на свойства так называемой космологической постоянной, которую Эйнштейн когда-то включил в написанное им основное уравнение общей теории относительности. Этот факт тем более интересен, что сейчас для него нет никаких теоретических обоснований. И он, конечно, будет использоваться в качестве исходной точки в дальнейшем развитии теоретических моделей темной энергии.