Космос. От Солнца до границ неизвестного

Наверняка мы можем сказать лишь одно – темная энергия является отличной пищей для умов физиков-теоретиков. Они придают ей сотни разных форм и фантастических смыслов. Самая простая и безобидная форма темной энергии – это космологическая постоянная, и даже она выглядит небылицей. Космологическая постоянная трактуется как плотность энергии вакуума, присущая самому пространству, которая в рамках Общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. Эта плотность энергии возрастает по мере расширения пространства, и по сравнению с ослабевающим гравитационным притяжением все более рассеянного вещества отталкивание становится сильнее. Чтобы объяснить существующее ускорение Вселенной, космологическая постоянная должна иметь величину порядка 1 джоуля на кубический километр пространства. В общей массе-энергии наблюдаемой Вселенной темная энергия занимает две трети, и только одна треть приходится на темную материю и нормальное вещество.

Физика элементарных частиц объясняет наличие собственной энергии у пустого пространства так: в пузырящемся, непредсказуемом квантовом вакууме все время появляются и исчезают виртуальные частицы. Проблема заключается в том, что, согласно теории, эти частицы должны иметь слишком высокую плотность энергии – 10¹²⁰ джоулей на кубический километр.

Это катастрофическое несоответствие побудило физиков-теоретиков создать целый сонм альтернативных теорий. Например, предлагали такой вариант: темная энергия может быть своего рода эфиром – особой сущностью, наполняющей космическое пространство. Эта гипотетическая среда сродни энергетическому полю, пронизывающему все пространство; она может меняться со временем и, возможно, даже сгущаться в отдельных местах. Другая гипотеза: темная энергия – это модифицированная форма гравитации, которая на больших расстояниях начинает отталкивать, а не притягивать объекты. Есть множество совсем заумных предположений, например, что наличие темной энергии указывает на потерю квантовой информации или на присутствие радиоволн с длинами в триллионы раз больше, чем наблюдаемая Вселенная.

Очень интересно было бы выяснить, меняется ли темная энергия со временем. Если да, то, по крайней мере, космологическую постоянную можно вывести за скобки. В большинстве моделей, которые трактуют темную энергию как своеобразный эфир, энергия медленно рассеивается по мере расширения пространства, хотя есть и такие модели, где она усиливается и «подкачивается» за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также меняется. Она может даже возрастать на некоторое время, а потом пойти на убыль, или наоборот.

Судьба Вселенной висит на волоске. Если темная энергия останется постоянной, преобладающая часть космического пространства продолжит разлетаться во все стороны, и мы останемся в маленькой островной Вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если же темная энергия усиливается, то в конце концов она разорвет всю материю в клочья или даже сделает ткань пространства неустойчивой здесь и сейчас. Наиболее точная к настоящему времени оценка основана главным образом на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно постоянна. Есть предположение, что она немного увеличивается, но неопределенность этих оценок слишком велика, и беспокоиться об этом увеличении пока нет повода.

В настоящее время астрономы прилагают огромные усилия, чтобы более точно установить поведение темной энергии. Существует ряд проектов, например, Dark Energy Survey («Исследование темной энергии»), посвященных поиску красноречивых свидетельств существования темной энергии в широких сегментах на небе. В рамках этих проектов наблюдают много новых сверхновых, определяют положения миллионов галактик, чтобы выявить звуковые волны, оставшихся от Большого взрыва, и подсчитывают количества скоплений галактик, образовавшихся на разных этапах развития космоса – на все эти процессы различными путями влияет темная энергия.

Еще более впечатляющая охота за темной энергией стартует через несколько лет – как с помощью специальных космических миссий вроде космического телескопа «Евклид», так и посредством гигантских наземных телескопов нового поколения: Большого синоптического обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope), Тридцатиметрового телескопа (Thirty Meter Telescope), Европейского чрезвычайно большого телескопа (European Extremely Large Telescope) и Гигантского Магелланова телескопа (Giant Magellan Telescope).

Мало кто рассчитывает, что охота за темной материей увенчается успехом в ближайшем будущем. Ученые строят догадки о сущности темной материи вот уже двадцать лет, и пока безрезультатно. Но с другой стороны, у нас есть ключ к той двери, за которой могут лежать ключи к разгадке.

Рис. 10.1. Научные данные указывают на то, что некий фактор ускоряет расширение Вселенной.