Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Модифицированная ньютоновская динамика

Я проявил бы небрежность, если бы не упомянул в этой главе соперничающую гипотезу, способную полностью устранить необходимость в темной материи. Она получила название модифицированной ньютоновской динамики и утверждает, что сила тяжести массивного объекта уменьшается с расстоянием, которое немного отличается от знаменитого закона обратных квадратов Ньютона (о нем мы говорили в гл. 3). Есть и альтернативный взгляд: сила гравитационного притяжения могла бы оставаться ньютоновской, но реакция объекта на эту силу — его ускорение — отличалась бы от второго закона движения Ньютона, в котором a = F/m. Различия, как правило, становились бы существенными на очень больших расстояниях. Вот почему движения планет вокруг Солнца, по всей видимости, подчиняются ньютоновским ожиданиям, а движения звезд и газовых облаков во внешних частях галактик превосходят те прогнозы, которые мы делаем на основе материи, наблюдаемой в галактиках, и закона всемирного тяготения Ньютона. Кроме того, при помощи модифицированной ньютоновской динамики астрофизики пытаются объяснить некоторые подробности, связанные с кривыми вращения спиральных галактик, и сильную наблюдаемую связь общей яркости галактики со скоростью ее вращения (соотношение Талли — Фишера). Впрочем, большинство астрономов считают, что темная материя может объяснить гораздо больше.

Итак, определить темную материю и ее альтернативы нам по-прежнему не удается, несмотря на все наши попытки. Что же, пока лишь остается сказать: «Поживем — увидим».

Темная энергия

Призыв к еще одной невидимой форме материи-энергии впервые громко прозвучал в 1990-х годах, когда астрономы, работавшие с данными «Хаббла», заметили небольшое отклонение от одноименного закона Хаббла, устанавливающего связь между расстоянием до галактики и ее красным смещением (см. гл. 8). На наибольших расстояниях и соответствующих периодах аберрационного времени наблюдаемые красные смещения оказались немного меньше, чем ожидалось. Это означало, что галактики в ранней Вселенной расширялись и отдалялись друг от друга с несколько меньшей скоростью, чем та, какую мы наблюдаем в текущую эпоху. Двигаясь вперед во времени, Вселенная галактик, по-видимому, расширяется с непрестанно возрастающей скоростью. Это ускорение необходимо объяснить. Существует ли какой-то вид «отталкивающей гравитации», способный стать движущей силой этого форсированного расширения? Или происходит нечто иное?

Чтобы объяснить, почему галактическая Вселенная, которую мы наблюдаем, расширяется с ускорением, космологи привлекли новую форму материи-энергии — темную энергию. Та же самая невыразимая таинственная сила, если ее присутствие в наши дни окажется достаточно велико, легко объясняет исключительную топологическую плоскостность космоса (см. гл. 9). Более того, по-видимому, сценарии формирования галактик, а также их эволюции и объединения в группы согласуются лучше всего, если принять, что во Вселенной 73 % темной энергии, 26 % темной материи, как обычной, так и экзотической, и 1 % светящейся обычной материи — это модель Лямбда-CDM (?CDM), упомянутая в десятой главе.

Темная энергия многое успешно объясняла, поэтому и обрела популярность у космологов и астрофизиков. Однако остается важный вопрос — с чем мы имеем дело? Альберт Эйнштейн в своем уравнении гравитационного поля требовал положительной плотности энергии, или «давления», призванного противодействовать отрицательному давлению гравитации. Он ввел этот термин именно для данного случая, чтобы удержать Вселенную от коллапса в саму себя. Услышав, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал включение этого термина самым большим просчетом в своей карьере. Сегодня мы восстановили эту космологическую постоянную (?) как жизненно важный компонент космоса, требующий более глубокого понимания.

Некоторые космологи полагают, что темная энергия возникает в результате расширения самого пространства. Космос неуклонно растет, и к смешению темной и светящейся материи добавляется все больше темной энергии. Это означает, что баланс темной материи и темной энергии менялся с течением времени, причем в ранней Вселенной преобладала темная материя (рис. 13.3), а в текущую эпоху эта роль перешла к темной энергии. Эту эволюцию в некотором смысле подтверждают данные о красных смещениях галактик, рассчитанных в зависимости от расстояния и соответствующего аберрационного времени. Если это время превышает 10 млрд лет, измеренные красные смещения не указывают на расширение со сколь-либо заметным ускорением, однако при более «современных» показателях аберрационного времени свидетельства ускоряющегося расширения и связанной с ним темной энергии становятся намного весомее.