Темная материя и темная энергия

Главный итог космологических исследований последних лет таков: существование темной энергии и создаваемого ею антитяготения надежно и теперь уже окончательно доказано. Усиливаются объективные свидетельства в пользу эйнштейновской космологической постоянной (Л?) и представления о темной энергии как о вакууме Эйнштейна - Глинера. Но не чересчур ли уверенно звучат такие утверждения? У космологии издавна была репутация легкомысленной науки; как говорил Ландау полвека назад, космология часто ошибается и никогда не сомневается. На этот раз, однако, не было недостатка в критике и осмотрительности. Открытие темной энергии не вызывает сейчас сомнений потому, что оно находит убедительное подтверждение в последующих многочисленных наблюдениях сверхновых звезд, в изучении анизотропии реликтового излучения, в анализе динамической структуры хаббловского потока вообще во всей совокупности текущих космологических исследований наблюдательного и эмпирического характера. Согласованные между собой независимые космологические данные постоянно пополняются новыми результатами, которые только увеличивают надежность и точность как качественных, так и количественных результатов.

Вскоре парадокс Хаббла-Сэндиджа был принципиально разъяснен: все дело в темной энергии вакуума. Темная энергия если это ЭГ-вакуум имеет идеально однородную плотность, доминирует везде вне сильных сгущений вещества и в результате почти весь мир делает почти однородным. Действительно, если придерживаться интерпретации темной энергии в духе ЭГ-вакуума и стандартной космологической модели, то следует ожидать, что не только очень далекие галактики, видимые почти у края Вселенной, но и самые близкие, которые наблюдал в свое время Хаббл, движутся не в пустоте, а на однородном фоне космического вакуума. Темная энергия физический агент, который связывает локальные и глобальные свойства мира, создавая во всей Вселенной единый динамический фон. Вакуум эффективно сглаживает влияние таких неоднородностей, как группы, скопления и даже сверхскопления галактик, и потому полное распределение энергии/массы во Вселенной оказывается гораздо более однородным, чем можно было полагать прежде, глядя лишь на одни галактики. Тем самым устраняется противоречие между регулярностью движения галактик и нерегулярностью их пространственного распределения внутри ячейки однородности: при наличии доминирующего фона темной энергии общее распределение массы/энергии тоже оказывается почти регулярным. В современной Вселенной на движения галактик действует не только ньютоновская сила их взаимного притяжения, но и сила антитяготения, производимая темной энергией вакуума. Причем темной энергии в современной Вселенной гораздо больше, чем вещества (темной материи и барионов). Последнее относится и к глобальным, и к определенным локальным масштабам, так что почти везде в мире антитяготение, вообще говоря, сильнее, чем тяготение. Если представить себе предельный случай, в котором тяготением вещества вообще можно пренебречь по сравнению с атитяготением вакуума, то мы придем к асимптотической картине, о которой упоминалось в разделе 2: галактики и их системы движутся как пробные частицы на идеально однородном фоне темной энергии и их движение происходит по закону Хаббла. При этом темп разбегания галактик во всех масштабах дается одной и той же «универсальной постоянной Хаббла» Ну = 1/tv = [(8πG/3)p]1/2 60-64 км/с Мпк. Как мы уже отмечали, такая идеальная картина на самом деле недалека от действительности от того динамического состояния, в котором сейчас находится наблюдаемая Вселенная, и притом во всех пространственных масштабах начиная с нескольких мегапарсек. По этой причине динамический эффект темной энергии способен естественным образом объяснить оба факта астрономии, казавшихся до сих пор загадочными: 1) регулярность потока расширения внутри ячейки однородности и 2) единый темп расширения в локальном и глобальном масштабах. Так снимается парадокс, долгие годы бросавший тень на открытие Хаббла (да и на него самого). Как мы сейчас понимаем, именно темная энергия однородного вселенского вакуума стоит в действительности за открытием Хаббла и придает этому открытию космологический смысл. Космологические эффекты присутствуют не только на масштабах в несколько тысяч мегапарсек, превосходящих размер ячейки однородности, но и глубоко внутри этой ячейки. Новое понимание динамики хаббловских потоков подсказывает, что темную энергию можно независимо изучать и измерять везде, где наблюдается регулярное разбегание галактик.

Плотность главная количественная характеристика темной энергии. Ее величина была оценена в первых же работах [1,2]. Если взять за меру массу атома водорода, то величина плотности темной энергии соответствует присутствию в каждом кубическом метре пространства примерно трех атомов водорода. Для того чтобы представить себе силу антитяготения, которую способна создать антигравитирующая среда с такой плотностью, вообразим, что два нейтральных атома водорода помещены в пространство, в котором нет ничего кроме темной энергии. На эти атомы действуют две силы: ньютоновская сила их взаимного притяжения и эйнштейновская сила отталкивания. Оказывается, что антитяготение сильнее тяготения, если расстояние между атомами больше полуметра. По данным [1,2] на долю темной энергии приходится примерно 70% полной плотности мира. Так что темная энергия представляет собой главный вид энергии/массы в наблюдаемой Вселенной. Понятно, что при таких условиях создаваемое темной энергией антитяготение должно доминировать в динамике космологического расширения. В природе существуют еще три вида космической энергии. Одна из них это темная материя, на которую по тем же данным приходится около 25% полной плотности мира; как предполагается, она состоит из гипотетических нерелятивистских («холодных») стабильных элементарных частиц, не участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Около 5% в полную плотность вносит «обычное» вещество, т.е. протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят планеты, звезды и другие обычные тела природы; за этой космической энергией закрепилось название «барионы» (хотя электрон и не является тяжелой частицей). Наконец, четвертая космическая энергия это «излучение», под которым понимаются реликтовые фотоны (а так- же, возможно, гравитоны); на излучение приходится не более нескольких сотых долей процента полной плотности. Современные сведения о возрасте мира и плотностях четырех космических энергий вытекают из всей совокупности наблюдательных исследований, проводимых в последнее десятилетие. Этот непротиворечивый, как часто говорят, «согласованный» набор данных определенно свидетельствует: открытие антитяготения и темной энергии [1,2] выдерживает проверку на надежность. В астрономии и физике наших дней оба новых понятия антитяготение и темная энергия постепенно занимают место в одном ряду с самыми фундаментальными понятиями естествознания.