Большое космическое путешествие

После того как в 2000 году были получены результаты проекта Boomerang, спутник WMAP с высокой точностью исследовал РИ и, уточнив эти оценки, позволил построить стандартную космологическую модель, согласующуюся со всеми ограничениями наблюдений. Спутник «Планк» дополнительно уточнил и эти оценки: H₀ = 67 (км/c)/Мпк; возраст Вселенной – 13,8 миллиарда лет, а значение Ω_m + Ω_Λ = 1 с учетом погрешностей наблюдений согласуется с моделью плоской Вселенной точнее, чем на 1 %.

Результаты WMAP в сумме с оценками по сверхновым и другими данными даже позволили отследить хронологию расширения Вселенной. Затем, вооружившись уравнениями Эйнштейна, мы смогли вычислить отношение давления к плотности энергии для темной энергии – это ключевой показатель, обозначаемый w. WMAP определил значение как w = –1,073 ± 0,09, что в пределах погрешности наблюдений согласуется со значением –1, спрогнозированным Эйнштейном для модели с космологической постоянной. Спутник «Планк» дал схожую оценку. Недавно в рамках Слоановского цифрового обзора неба» удалось измерить, что современное значение w или w₀ = –0,95 ± 0,07, при этом использовались данные о скучивании галактик и удобная формула, которую вывели мы с Заком Слепяном. Воспользовавшись теми же данными и формулой, но присовокупив информацию о степени линзирования РИ со стороны далеких галактик, команда «Планка» уточнила значение w₀ = –1,008 ± 0,068. Все эти значения в пределах погрешности наблюдений согласуются со значением –1, спрогнозированным для энергии вакуума (темной энергии). Известно, что плотность темной энергии положительна, так как именно положительная плотность энергии, значительно превосходящая плотности обычной и темной материи, требуется для возникновения такой плоской Вселенной, которую мы и наблюдаем. Известно, что давление темной энергии отрицательно, поскольку, с учетом положительной плотности ее энергии, лишь отрицательное давление темной энергии может обеспечить гравитационное отталкивание, необходимое для наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Мы даже смогли точно измерить величину этого отрицательного давления – и выяснилось, что она равна взятой с обратным знаком плотности темной энергии в пределах погрешности наблюдений. Эйнштейн бы обрадовался! Его космологическая постоянная – никакая не ошибка!

Иногда темную энергию описывают как таинственную силу, вызывающую нынешнее ускорение расширения Вселенной, или отмечают, что мы ничего не знаем о темной энергии. Не совсем так. Сила, под действием которой происходит ускоряющееся движение Вселенной, – это просто гравитация. Отталкивание связано с тем, что темная энергия обладает отрицательным давлением. Есть серьезные подозрения, что темная энергия должна стоять в правой части тождеств Эйнштейна (там, где учитывается материя Вселенной), а не в левой части (с описанием законов тяготения), поскольку есть основания полагать, что содержание темной энергии в юной Вселенной было выше, и именно под ее действием началась инфляция. Предполагается, что темная энергия – это некая энергия вакуума, порождаемая полем или полями, но мы не знаем, какими. Известно, что количество темной энергии со временем практически не меняется, но неизвестно, это медленный рост (карабканье по склону холма) или медленное снижение (скатывание). В настоящее время эти проблемы активно исследуются.

Слоановский цифровой обзор неба позволил точно оценить постоянную Хаббла по размерам характерных особенностей в скучивании галактик, соответствующих колебаниям, видимым во флуктуациях РИ с рис. 15.3. В этом плане они сыграли роль цефеид для оценки крупномасштабной структуры, а данные по сверхновым позволили детально отследить изменения постоянной Хаббла со временем. Было найдено современное ее значение: значение H₀ = 67,3 ± 1,1 (км/c)/Мпк. Отсюда получено, что плотность темной энергии составляет около 6,9 × 10^–30 г/см³. Если взять сферу радиусом с орбиту Луны, то в этой сфере нашлось бы 1,6 кг темной энергии – ничтожное количество по сравнению с массой Земли, – и эта величина настолько мала, что мы не замечаем воздействия ее отрицательного давления, то есть не наблюдаем отталкивающего влияния на орбиту Луны. Но в космологических масштабах, где средняя плотность материи равна всего 3 × 10^–30 г/см³, эффект темной энергии огромен.

Построить целую космологическую модель с минимальными погрешностями – серьезное достижение. Спутники WMAP и «Планк» позволили детально измерить величину флуктуаций РИ как функцию их углового масштаба, и эти результаты чрезвычайно хорошо согласуются с прогнозами инфляционной теории (см. рис. 15.3). Это эффектное экспериментальное подтверждение инфляции. А темная энергия, наблюдаемая сегодня, имеет такую же форму, которая могла бы обеспечить инфляцию в ранней Вселенной, – но только у нее очень низкая плотность.