Большое космическое путешествие

Если сегодня вакуум обладает некоторой энергией, то требуется учитывать и значение второго параметра, характеризующего плотность энергии вакуума и описываемого формулой Ω_Λ = 8πG_вак/3H₀², где ρ_вак – плотность энергии вакуума (темной энергии) в нынешней Вселенной. Нижний индекс напоминает, что темная энергия функционально подобна эйнштейновской космологической постоянной Λ. Все возможные космологические модели можно отобразить на плоскости. По оси абсцисс откладывается значение Ω_m (плотность материи), а по оси ординат – Ω_Λ (энергия вакуума, она же темная энергия). Конкретная космологическая модель соответствует точке на плоскости с рис. 23.5 с координатами (Ω_m, Ω_Λ), каждая пара соответствует некоторой современной комбинации значений плотности материи и темной энергии.

При Ω_Λ не равной нулю получаются модели, заполняющие диаграмму. Диагональной линией обозначено множество моделей, для которых Ω₀ = Ω_m + Ω_Λ = 1, то есть плоских моделей, соответствующих инфляционной теории. Модели слева от этой линии имеют седловидную форму, и эти вселенные обладают бесконечной протяженностью, а модели справа от красной линии – это 3-сферные вселенные. Область, покрытая черными точками и напоминающая по форме галстук, содержит модели, согласующиеся с данными о РИ, полученными с суборбитального телескопа Boomerang в Антарктиде, – это один из важнейших ранних экспериментов. Эта область лежит прямо по линии, подтверждая, что свойства РИ свидетельствуют в пользу плоской модели. Можно наложить на космологическую модель еще одно ограничение: непосредственно измерить хронологию расширения Вселенной, соотнося данные о красном смещении и о расстояниях до далеких объектов. Ученые используют так называемые сверхновые типа Ia, которые удобны в качестве стандартных свеч; участок плоскости (Ω_m, Ω_Λ), допустимый по наблюдениям сверхновых типа Ia, показан светло-серой заливкой.

Рис. 23.5. Космологические модели (Ω_m, Ω_Λ). Каждая точка на этой диаграмме соответствует конкретной космологической модели с присущей ей плотностью материи (координата Ω_m по оси абсцисс) и плотности темной энергии (координата Ω_Λ по оси ординат). Область, обозначенная светло-серой заливкой, захватывает модели, согласующиеся с наблюдениями сверхновых типа Ia, свидетельствующими, что расширение Вселенной ускоряется. Область, обозначенная черными точками, захватывает модели, согласующиеся с наблюдениями реликтового излучения (РИ), полученными в рамках проекта Boomerang с суборбитального аэростата в 2000 году. Тогда была опубликована одна из первых статей, демонстрирующих, что по сумме наблюдений РИ и сверхновых напрашивается вывод, что наша Вселенная плоская (Ω₀ = Ω_m + Ω_Λ = 1) с Ω_m ≈ 0,3 и Ω_Λ ≈ 0,70. Темная энергия составляет 70 % от всего содержимого Вселенной. Последующие наблюдения, сделанные при помощи спутников WMAP и «Планк», убедительно подтвердили это заключение. Иллюстрация публикуется с разрешения MacMillan Publishers Ltd по изданию Nature, 404, P. de Bernardis, et al. April 27, 2000

Согласно этим данным, Вселенная расширяется все быстрее, и за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году разделили Нобелевскую премию по физике. Модели с Ω_Λ > Ω_m/2 характеризуются расширением, ускоряющимся на данном этапе, – гравитационное отталкивание темной энергии сильнее гравитационного притяжения материи. Светло-серая область, вычисленная по наблюдениям сверхновых, также подтверждает такое неравенство и показывает, что сегодня Вселенная расширяется с ускорением. (Модели с Ω_Λ < Ω_m/2 должны сегодня расширяться все медленнее). Черный галстук пересекается со светло-серой областью на небольшом участке со значениями около Ω_m ≈ 0,30 и Ω_Λ ≈ 0,70. Эти значения согласуются с данными, полученными как на материале РИ, так и на материале сверхновых.

Интересно, что такое перекрытие двух областей согласуется со значением Ω_m ≈ 0,30, вычисленным на основе масс скоплений галактик, движений отдельных галактик и разрастания структуры Вселенной. Эта цифра включает как обычную материю (барионы – протоны и нейтроны), так и темную материю. Приблизительно зная величину постоянной Хаббла 67 (км/c)/Мпк, мы, как выясняется, можем непосредственно определить Ω_m и Ω_барион, измерив относительную высоту четных и нечетных пиков на рис. 15.3. Ответ таков: Ω_барион ≈ 0,05 и Ω_m ≈ 0,30. Результаты наблюдений РИ согласуются со значением Ω_барион ≈ 0,05, которое Гамов вычислил по данным о нуклеосинтезе, рассмотренным в главе 15. Эти данные свидетельствуют, что львиная доля материи во Вселенной – это темная материя (Ω_{темнмат} ≈ 0,25), которая не может состоять из обычных частиц (барионов). Сейчас ученые пытаются выяснить детальные свойства темной материи, об этом рассказывал Майкл.

Синие линии на рис. 23.5 показывают возраст Вселенной по шкале 1/H₀. Предпочтительная космологическая модель, расположенная у самой линии, обозначена «Возраст = 1/H₀».