Звон о темной энергии

Десять дней назад по Интернету прокатилась сенсация — заголовки один другого краше: «Ученые считают, что расширение Вселенной никогда не остановится», «Вселенная погибнет в результате бесконечного расширения» и т.п.

Триггером для этой журналистской лавины стала статья, опубликованная в журнале Science 20 августа, а точнее, не очень осторожное интервью, данное одним из соавторов не очень грамотным журналистам.

Статья называется скромно: «Космологические ограничения, следующие из сильного гравитационного линзирования в скоплениях галактик» (Cosmological Constraints from Strong Gravitational Lensing in Clusters of Galaxies). Авторы: Eric Jullo, Priyamvada Natarajan, Jean-Paul Kneib, Anson D’Aloisio, Marceau Limousin, Johan Richard, Carlo Schimd (места работы разные: Пасадена (JPL), Йельский университет, Марсель, Институт Нильса Бора, Дарэмский университет). Работа технически сложная, важная, но не содержащая принципиально новых результатов. Тем не менее, важная, поскольку новым методом подтвержден ранее известный факт, имеющий огромное научное и мировоззренческое значение: Вселенная расширяется с ускорением по экспоненциальному закону. Это связано с новой физикой, так называемой темной энергией, существование которой никак не следует из предшествующих экспериментов и теорий. Понятно, что такие важные факты требуют подтверждения всеми возможными способами. Кое-что о предыстории. Первая ласточка появилась в 1998 г. Две группы исследователей, занимающиеся поиском далеких сверхновых, опубликовали по статье, где утверждалось, что сверхновые типа Ia с большим красным смещением находятся дальше, чем предписывает стандартный закон расширения Вселенной (закон Фридмана). Cверхновые этого типа все одинаковы и связаны с взрывающимися белыми карликами, их используют в космологии как стандартные свечи. Если благодаря близким сверхновым мы знаем их абсолютную яркость, то можем оценить расстояние, на котором взорвалась звезда. Зная красное смещение (оно очень точно и относительно легко измеряется) и, независимо, расстояние, мы можем получить кинематику расширения Вселенной. Оказалось, что данные можно объяснить лишь ее ускоренным расширением.

Одного факта недостаточно. Говорилось, что сверхновые Ia — не такие уж хорошие стандартные свечи, что свет поглощается по дороге пылью, что раньше у звезд был другой химический состав и это влияло на яркость сверхновых — может быть, они были слабее. Но появлялись всё новые независимые свидетельства. Например, оценивались угловые размеры скоплений галактик, и строилась их зависимость от красного смещения. Это тоже указывало на ускоренное расширение. Самое сильное свидетельство — результаты американской станции WMAP, снявшей прецезионные карты реликтового излучения. Реликтовое излучение (точнее, его неоднородности) дает нам «линейку» известной длины в самой ранней Вселенной (Сахаровский пик в масштабе флуктуаций) и много других зацепок, по которым можно восстановить и закон расширения, и ряд космологических параметров.

Ускоренное расширение не только получило подтверждение, но и неплохое количественное описание. В частности, стало понятно, что наше пространство, с неплохой точностью, — плоское (т.е описывается геометрией Минковского а не Римана или Лобачевского), что около 30 % тяготеющего содержимого Вселенной составляет материя (большая часть которой — темная, т.е. не взаимодействующая с нашими приборами и потому имеющая неизвестную природу), а примерно 70 % — так называемая темная энергия. Что это такое?

Факт ускоренного расширения Вселенной лег на хорошо подготовленную почву. Еще Эйнштейн рассматривал возможность ввести в свои уравнения Общей теории относительности дополнительный L-член, который приводит к «саморасталкиванию» Вселенной. Ирония судьбы заключается в том, что Эйнштейн пытался с помощью этого члена «застабилизировать» Вселенную: нестационарность Вселенной, доказанная Александром Фридманом, поначалу вызывала моральный дискомфорт.

Оказалось, что L-член как раз может вытворять со Вселенной удивительные вещи. Де-Ситтер построил космологическую модель (мир де-Ситтера), где L-член приводит к экспоненциальному расширению Вселенной. Во времена Эйнштейна и де-Ситтера L-член был произвольной абстракцией и мир де-Ситтера строился как чисто умозрительная возможность. Однако впоследствии люди сообразили, что Л-член может появиться отнюдь не с потолка, а как следствие реальных физических явлений. Иными словами, он может появиться в уравнениях Общей теории относительности не по произволу теоретика, а через тензор энергии-импульса, который является неотъемлемой частью теории.

Допустим, Вселенная заполнена неким простейшим (скалярным) однородным полем. Мы не чувствуем этого поля, поскольку оно везде одинаково и постоянно во времени — по сути оно неотличимо от вакуума. Поле обладает положительной плотностью энергии, как все нормальные физические поля. Но весь фокус в том, что оно обладает отрицательным давлением, иначе говоря, натяжением, подобным натяжению поверхностной пленки воды. В уравнениях Эйнштейна такое поле, будучи вписано в тензор энергии-импульса, приводит к появлению члена, абсолютно идентичного знаменитому Л-члену. Если Вселенная заполнена однородной субстанцией, то ее вклад в самотяготение пропорционален e + 3 p, где e — плотность энергии, p — давление. Тройка у p проистекает из трехмерности пространства. Далее результат зависит от уравнения состояния, которое можно записать как p = w e. Если Вселенная заполнена пылью, то w = 0 (это относится к современным обычной и темной материям); если светом, то w = 1/3. В этих случаях Вселенная самотяготеет. В случае однородного скалярого поля w = -1 и мы имеем саморасталкивание! И Вселенная расширяется с ускорением по экспоненциальному закону.

В 70-х и 80-х годах появилась очень красивая концепция раздувающейся Вселенной, основанная именно на этом эффекте. Она относится к самым первым мгновениям существования Вселенной, когда в ней было очень сильное поле, и масштаб Вселенной за ничтожные доли секунды вырос на много порядков величины из-за сильнейшего гравитационного саморасталкивания. Далее это сильное раздувающее поле, сформировав огромную долгоживущую Вселенную, исчезло, перейдя в частицы материи. Дальнейшее расширение продолжилось по инерции. Такова в самых общих чертах почти общепринятая картина рождения Вселенной.

На этом фоне открытие экспоненциального расширения современной Вселенной не выглядит чем-то совершенно фантастическим. В первые мгновения раздувание было очень быстрым, потом просто сменился масштаб: вместо сильного осталось очень слабое поле, и раздувание пошло на много порядков медленнее. Но всё равно, факт требует новых фундаментальных физических сущностей. Наличие такого поля и его странный масштаб (ничтожная плотность энергии) из современной теории не следуют. Новая работа, вызвавшая столько шума, связана с независимым определением расстояния до объектов с известным красным смещением. Собственно, и предшествующие работы основаны на этом принципе, только в данном случае использован новый метод определения расстояния — гравитационное линзирование. В качестве линзы выбрано одно из самых массивных скоплений галактик, Abell 1689, а исходными данными использовались снимки космического телескопа «Хаббл» и дополнительные спектроскопические наблюдения в наземные телескопы. Массивное скопление искажает изображения галактик, находящихся далеко позади, превращая их в дуги и серпики, а также плодит двойные, тройные (и более) изображения одной и той же галактики. Эти кратные изображения и являются данными, которые надо подогнать методом максимального правдоподобия. В состав подгоночных параметров входит распределение массы в скоплении (описывается моделью с 21 свободными параметрами, опробованной на 58 скоплениях), а также положение каждой лин-зированной галактики, расстояние до нее и расстояние от нас до самой линзы. Расстояния и есть искомые данные, из которых непосредственно вытаскивается закон расширения Вселенной и связанные с ним космологические параметры.

Полученные результаты хорошо согласуются с предыдущими. Заявленная точность определения параметра w (см. выше) на 30 % лучше точности, достигнутой по данным станции WMAP. Значение w = -0.97±0.07 согласуется с предположением о том, что темная энергия является однородным постоянным скалярным полем. Правда, здесь не обошлось без уловки: авторы зафиксировали значение постоянной Хаббла и положили кривизну Вселенной равной нулю. В результатах WMAP эти параметры отпущены, поэтому неизвестно, чья точность на самом деле выше. Тем не менее, это безусловно хорошая работа, подкрепляющая современную космологическую картину.

Другое дело, что она не принесла никаких новых откровений. Бурная сенсация — следствие малой образованности журналистов, не знавших, что речь идет о давно известных вещах. Возможно, часть вины лежит на одном из авторов, не удосужившемся объяснить это внятно в интервью. При заимствовании новости одним СМИ у другого нелепости накапливались и иногда принимали гротескные формы. Самый яркий перл найден в новостях АиФ (www.aif.ru/techno/news/65524): «К этому выводу астрономы пришли, исследуя гигантскую «галактическую линзу» — одно из крупнейших из известных человечеству скоплений галактик в созвездии Девы, — которая (т.е. линза. — Б.Ш) заставляет Вселенную расширяться всё быстрее и быстрее».

Звучало мнение, что все эти дурные сенсации скорее полезны, чем вредны, поскольку привлекают внимание обывателя к науке, а там, глядишь, кто-то реально заинтересуется и разберется. Например, дескать, шум об угрозе конца света из-за Большого коллайде-ра подогрел интерес широкой публики к новому ускорителю. Не знаю, может, это и так, но при одном условии: если весь этот звон выведет из себя каких-нибудь относительно грамотных людей настолько, что они возьмутся за перо. Вот так и появился повод напомнить читателям о темной энергии…

Борис Штерн

Автор благодарен Олегу Верходанову,
Павлу Иванову и Сергею Попову
за полезные замечания.