Что мы знаем в космологии?

В «Троицком варианте» опубликовано довольно много статей по космологии, освещающих разные этапы развития Вселенной. Однако это столь захватывающая мировоззренческая тема, что относится к случаям, когда «слишком много» не бывает. Тем более, что по части космологии в обществе по-прежнему господствует непонимание или отрицание, существует множество предрассудков и альтернативных воззрений уровня гипотезы плоской Земли.

До сих пор космологическую тему в ТрВ вели Валерий Рубаков, Олег Верходанов и ваш покорный слуга. Всегда важно услышать ту же историю в изложении других профессионалов — так картина становится более стереоскопической.

Сегодня мы публикуем доклад в МИФИ членкора РАН, гл. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН Дмитрия Горбунова, записанный и обработанный пресс-секретарем ИЯИ РАН Полиной Юдиной. Важно отметить, что Дмитрий Горбунов в дополнение к многим научным статьям по космологии написал в соавторстве с Валерием Рубаковым двухтомник «Введение в историю ранней Вселенной», где эта самая история изложена строго и в деталях с привлечением сопутствующей математики.

Хотел бы обратить внимание читателей на схему развития Вселенной из доклада. Она на порядок информативней попсовых «колоколов с галактиками», кочующих по изданиям и статьям. На схеме очень четко показаны этапы развития с соответствующими температурами, временами и уровень наших знаний о них. Так, производство темной материи и барионной асимметрии (бариогенезис) показано в разных местах, поскольку обсуждаются разные типы темной материи и механизмы бариогенезиса.

Борис Штерн

Современная астрофизика пытается анализировать процессы в космосе, используя гравитацию и физику элементарных частиц. Тут есть особенности, связанные с наблюдательной стороной задачи. В обычной физике вы можете повторить эксперимент. А в астрофизике есть свет (и, шире, электромагнитное излучение. — Прим. ред.), и только по нему мы определяем, что происходит в далеких галактиках. Чтобы как-то минимизировать ошибку наблюдений, астрофизики анализируют огромный объем данных.

Согласно нашим нынешним знаниям, Вселенная однородна, изотропна, расширяется, она горячая. То, что она расширяется, мы видим по красному смещению — по тому, что далекие галактики, которые с нами гравитационно не связаны, испускают свет, и наблюдаемый спектр явно сдвинут в область больших длин волн. На больших расстояниях — в 50–100 раз больше, чем расстояние до ближайшей к нам галактики Андромеды, — Вселенная однородна и изотропна. А раз так, то наше пространство может быть либо сферой, либо гиперболоидом, либо плоскостью. Эффектов сферы или гиперболоида на наблюдаемых данных никто не видит. Поэтому астрофизики говорят, что с большой точностью наш мир плоский (точнее, евклидов, не путать плоскость с двухмерностью. — Прим. ред.).

Чтобы изучать звезды, галактики, любые удаленные астрофизические объекты, мы регистрируем фотоны и вычисляем интервал между событиями испускания (источник) и поглощения (наблюдатель). Что изменяется при использовании интервала в расширяющейся Вселенной? Нужно пространственные координаты умножить на зависящий от времени масштабный фактор. Если вы научились анализировать данные, свет, который пришел с расстояния в сотню мегапарсек, всё, что нужно знать, это a(t) в уравнении Фридмана.

В ОТО расширение описывается уравнением Фридмана$$\left(\frac{\dot a}{a}\right)^2=H^2(t)=\frac{8\pi}{3}G\rho_{энергии}^{плотность}$$

$$\rho_{энергии}^{плотность}=\color{green}{\rho_{радиация}}+\color{green}{\rho_{материя}^{обычная}}+\color{green}{\rho_{материя}^{темная}}+\dots$$

В прошлом Вселенная была «плотнее» и «горячее», была электромагнитная плазма

$$\color{green}{\rho_{материя}}\infty1/\color{red}{a^3(t)},\qquad\color{green}{\rho_{радиация}}\infty1/\color{red}{a^4(t)}$$

‌

В общей теории относительности расширение Вселенной описывается этим уравнением. От масштабного фактора a(t) зависят плотности различных компонент, составляющих полную плотность энергии Вселенной. Именно величина последней определяет темп ее расширения. В уравнении Фридмана стоит a(t) с точкой, что есть изменения масштабного фактора за единицу времени, аналог скорости. Сам по себе этот фактор нефизический — если вы измените его величину на другую, например в десять раз бо́льшую, то ничего не изменится. Вы можете свой рост измерять в сантиметрах или метрах — от этого ваш рост не увеличится и не уменьшится, это неважно. А важно то, что со временем вы растете. Физически значимой, наблюдаемой величиной является отношение ȧ/а — эта физическая величина называется параметром Хаббла. Уравнение Фридмана, которое следует из уравнений Эйнштейна общей теории относительности, говорит нам, что параметр Хаббла в квадрате пропорционален плотности энергии. Если вы отслеживаете, как летит фотон, то буквально эту величину вы и измеряете, то есть узнаёте, как параметр Хаббла зависит от времени. А если вы это определите, то, поскольку разные компоненты плотности энергии по-разному зависят от масштабного фактора, то сможете их разделить, указав из чего в точности состоит современная Вселенная.

$$\left(\frac{\dot a}{a}\right)^2=H^2(t)=\frac{8\pi}{3}G\rho_{энергии}^{плотность}$$

$$\rho_{энергии}^{плотность}=\color{green}{\rho_{радиация}}+\color{green}{\rho_{материя}^{обычная}}+\color{green}{\rho_{материя}^{темная}}+\color{green}{\rho_\Lambda}$$

$$\color{green}{\rho_{радиация}} \ \infty \ 1/\color{red}{a^4(t)} \ \infty \ T^4(t),\quad\color{green}{\rho_{материя}} \ \infty \ 1/\color{red}{a^3(t)}$$

$$\color{green}{\rho_\Lambda}=\color{red}{\mathsf{const}}$$

$$\frac{3H_{0}^{2}}{8\pi G}=\rho_{энергии}^{плотность}(t_0)\equiv \rho_c\approx0,5\times10^{-5}\frac{ГэВ \ c^2}{см^3}$$

Вклад РИ:	$\color{blue}{\Omega_\gamma\equiv\frac{\rho_\gamma}{\rho_c}=0,5\times10^{-4}}$
Вклад барионов (водород, гелий):	$\color{blue}{\Omega_\mathsf{B}\equiv\frac{\rho_\mathsf{B}}{\rho_c}=0,046}$
Вклад нейтрино:	$\color{blue}{\Omega_\nu\equiv\frac{\Sigma\rho_{\nu_{j}}}{\rho_c}<0,01}$

‌

На больших расстояниях, например 30 Мпс, можно поделить массу на объем, получив среднюю плотность.

Плотность энергии Вселенной в законе Фридмана определяется несколькими слагаемыми: там есть константа, которая обозначает темную энергию (по наблюдениям совместна с космологической постоянной, которую ввел Эйнштейн), а также радиация, обычная материя и темная материя.

Плотность энергии современной Вселенной примерно такая, как была бы во вселенной с доминирующим обычным веществом с концентрацией пять протонов на 1 м3. Если Вселенная расширяется, то плотность галактик падает как масштабный фактор в кубе, потому что у нас трехмерное пространство. Есть реликтовая радиация, ее концентрация также уменьшается, а кроме того, фотоны краснеют, поэтому вклад радиации в плотность энергии падает как масштабный фактор в четвертой степени.

В прошлом Вселенная была «плотнее» и «горячее», была электромагнитная плазма. Кроме того, есть обычная материя и темная материя, которую не видно в телескопы. И это надо учитывать. А основная компонента в современной Вселенной — темная энергия, не зависящая от масштабного фактора, а значит, постоянная по времени плотность энергии.

Нигде в другой области физики вы не увидите, чтобы плотность энергии давала вклад в уравнение движения. Исключение составляет гравитация в применении ее к описанию Вселенной. Такая странность характерна исключительно для теории относительности. Пока остается вызовом для ученых придумать другую модель гравитации, которая будет описывать наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной без привлечения постоянной плотности энергии.

Теперь о компонентах, которые есть в современной Вселенной. Тут есть, с одной стороны, разочарование, а с другой — радость. Мы эти компоненты можем из эксперимента выделить, используя гравитацию, физику частиц с точностями больше 1%. Не везде в физике элементарных частиц у нас получается сравнить предсказания и измерения с такой точностью. Но при этом основная часть компонент, которые мы различаем экспериментально, нам физически неизвестна. Около 70% вклада в плотность энергии дает такая компонента, как темная энергия. Ее историческое название — космологическая постоянная. Она буквально неразличима от того, если бы вы добавили в нашу Вселенную некую постоянную плотности энергии, ни от чего не зависящую (на расширение не реагирует), — прямо настоящая константа.

Посмотрим на уравнение выше. Здесь G — это Ньютоновская постоянная. Если подставить туда плотность энергии (константу), то у вас ȧ/а — константа. Правильное решение такого уравнения — экспоненциальное, т. е. масштабный фактор со временем начинает вести себя экспоненциально. Мы видим экспоненциальное расширение.

В плотность материи есть вклад радиации, обычной материи, темной материи и вклад барионов — они вместе, темная материя и барионы (наше вещество), составляют 30%, а 70% — константа. Вселенная расширяется, и в будущем у вас та компонента, вклад которой зависит от масштабного фактора, деградирует. И мы остаемся только с темной энергией. С точки зрения наших перспектив это означает, что все несвязанные гравитационно объекты — наша галактика и соседние галактики — в далеком будущем разлетятся на экспоненциально большие расстояния. У нас останется только то, что гравитационно связано между собой: вот именно тут мы сможем путешествовать.

Также в этой формуле плотности материи 25% — это темная материя. На расширение она реагирует как 1/a3. Представьте себе, что у вас есть какие-то объекты, которые издалека вы не видите в телескопы, так как они не излучают света. Кроме того, мы не видим, чтобы темная материя участвовала в процессах в первичной плазме; мы не видим, чтобы она взаимодействовала с реликтовым излучением во Вселенной на ранних этапах ее становления.

Кроме того, 5% плотности материи Вселенной — это обычное вещество, в основном водород и гелий. По массе гелий дает четверть, остальное — водород. В современной Вселенной водород ионизирован — отдельно летают электроны, отдельно — протоны, а гелий присутствует в «собранном» виде. Далее нейтрино — мы знаем по эпохе реликтового излучения и из данных первичного нуклеосинтеза, что они должны присутствовать в первичной плазме, и знаем их количество, но их вклад в современную плотность энергии мы не знаем, потому что не знаем их массы. Пока мы их вклад только ограничиваем, отсюда ограничение сверху на массы этих частиц.

Всё это мы измеряем, анализируя космологические наблюдаемые. Единственная компонента, которую мы измеряем напрямую, — фотоны, реликтовое излучение (их температуру, спектр, количество). Все остальные компоненты, включая видимое вещество, мы изучаем косвенно.

Астрономы знают, как звезды образовывались, эволюционировали, могут их массу оценить. Есть, скажем, «холодные облака», которые не видно в обычные телескопы, нужно другие телескопы применять в специальном диапазоне. В результате оказалось, что примерно половину обычного вещества мы видим, а остальную половину не видим. Современная астрофизика объясняет это так: на больших расстояниях Вселенная однородна, на маленьких — неоднородна. Там, где есть гравитационные неоднородности, образуются космические структуры — от маленьких галактик до больших. Образуется иерархическая структура, где есть карликовые галактики, обычные, скопления галактик. В телескопы различного типа мы хорошо различаем скопления галактик. Примерно 10% всех галактик находится в скоплениях. Но это только та структура, которую мы видим. Остальное мы можем имитировать на компьютере: взять массивные точки и посмотреть, как эта система будет эволюционировать, если мы в самом начале заложили туда небольшие гравитационные неоднородности. И согласно такому моделированию, получившаяся структура выглядит как «паутинка»: скопления разделены так называемыми филаментами. Но в телескоп мы такой структуры не видим: чтобы различить ее современными телескопами, нужно, чтобы у нее была больше поверхностная яркость. Действительно, если все фотоны приходят из одной точки, вы их различите, различите источник. Если же все они «размазаны» по большой площади, вы не различите, что она как-то светится.

Космические структуры, разделенные филаментами, мы не различаем в наблюдениях. Но по симуляциям примерно половина недостающего вещества как раз размещается в них, так что наша модель материи выглядит вполне логичной. Смущает, правда, то, что физика — наука экспериментальная, а эту паутинчатую структуру никто еще не проверил экспериментально.

Что за темные компоненты (95%!) и где они сегодня?

• Темная энергия (плотность энергии вакуума?..) есть везде!

68% (с = ħ = 1)

$$\color{red}{-p_\Lambda=\rho_\Lambda=\mathsf {const}\approx\left(2,5\times10^{-3}эВ\right)^4>0}$$

не связанный с физикой частиц и гравитацией новый энергетический масштаб?..

• Темная материя (вероятно, новые частицы)

27%

$$\color{blue}{p_{DM}=0,\qquad\rho_{DM} \ \infty \ 1/a^3}$$

(как пыль, обычное вещество) собирается в структуры: галактики, скопления галактик, филаменты, …

‌

Что заставляет нас ввести темную материю?

Астрофизические данные:

• наблюдения за объектами в галактиках;
• наблюдения за скоплениями галактик.

Космологические данные:

• обилие структур в современной Вселенной;
• картина анизотропии реликтового уровня;
• наблюдение за космологически удаленными объектами (далеко = давно);
• сахаровские осциляции во взаимном положении удаленных галактик.

‌

На основании космологической модели мы можем построить картинку прошлого, равно как и будущего. Есть еще один интересный сюжет в картинке будущего: если все параметры Вселенной останутся как сейчас, то лет через 10600 мы протунеллируем — у нас будет другой вакуум и те же самые частицы, но масса у них будет в миллиард раз больше. Но это, как я оговорился, будет еще очень нескоро. Поэтому пока наслаждайтесь жизнью и изучайте космологию!