Почему небо темное. Как устроена Вселенная

На рис. 39 показано изменение постоянной Хаббла со временем по данным о далеких сверхновых. Наглядно видно «торможение» Вселенной — при z ~ 1–1.5 (то есть 8–9 млрд лет назад) постоянная Хаббла была примерно в два раза больше. Видно также, что открытие ускоренного расширения не означает, что уже сейчас темп расширения Вселенной растет. На самом деле он еще падает, но не так быстро, как ранее ожидалось — замедление расширения Вселенной тормозится и когда-нибудь постоянная Хаббла, действительно, начнет расти. Простейшей интерпретацией наблюдений являлось предположение о существовании некоей формы энергии (ее стали называть темная энергия)[28], «расталкивающей» Вселенную и приводящей к изменению темпа ее расширения. Как следовало из наблюдений, свойства этой субстанции должны быть очень странными. Во-первых, она не скучивается, то есть не собирается в обычные объекты типа галактик и их скоплений, и ее распределение в пространстве, по-видимому, близко к равномерному. Во-вторых, как уже не раз писалось, она заставляет Вселенную расширяться, то есть темная энергия, в отличие от обычной материи, создает не тяготение, а антитяготение, антигравитацию. В-третьих, сколь бы необычным это не выглядело, плотность темной энергии по современным данным практически не зависит от времени (имеется ввиду абсолютная плотность, измеренная, скажем, в г/см³). В-четвертых, в настоящую эпоху вклад темной энергии в полную плотность Вселенной является определяющим — Ω_Λ ~ 0.7. Это не всегда было так — плотности обычного вещества и темной материи, в отличие от темной энергии, зависят от времени, и в более ранние эпохи эволюции Вселенной относительный вклад темной энергии был меньше (рис. 40).

Рис. 40. Зависимость плотности вещества (кривая линия) и темной энергии (горизонтальная прямая) от времени (Краус 2002). Вдоль вертикальной оси отложена плотность в г/см³, вдоль горизонтальной — время, прошедшее после Большого взрыва, в миллиардах лет. Стрелочкой указана современная эпоха.

Что может представлять собой эта темная энергия? Возможны разные варианты, но, по-видимому, самый простой и естественный — темная энергия представляет собой энергию вакуума. Вакуум, вопреки бытовой точке зрения, это не просто пустота[29], а состояние с минимальной возможной энергией, причем эта энергия не обязательно должна быть равна нулю. Если из какого-то объема убрать все частицы и поля, то, согласно законам квантовой механики, на сверхмалых расстояниях этот объем является ареной очень активной деятельности — в нем непрерывно рождаются и исчезают так называемые виртуальные частицы. Энергия этого кипящего «супа» частиц и является энергией вакуума. (Корректно рассчитать энергию вакуума из общих физических принципов весьма непросто и поэтому полученная чисто астрономическими методами оценка значения Ω_Λ оказалась очень кстати). Свойства вакуума близки к требуемым для темной энергии — его плотность не зависит от времени (она определяется физикой очень малых расстояний и времен), он не скучивается и, согласно квантовой физике, его давление отрицательно, что и приводит к появлению эффекта антигравитации. Эти особенности вакуума привели к тому, что он часто рассматривается в качестве основного кандидата в темную энергию.

Открытие ускоренного расширения Вселенной, возможное отождествление причины этого ускорения с космическим вакуумом — это, несомненно, эпохальные достижения, существенно меняющие представления об окружающем нас мире. Однако насколько серьезно можно относиться к этим открытиям? Ведь кажется, что они основываются лишь на нескольких точках, уклоняющихся от ожидаемой прямой на рис. 38. Во-первых, в настоящее время данных уже гораздо больше. Число далеких SN Ia с измеренными кривыми блеска достигает уже нескольких сотен и новые наблюдения лишь подтверждают и уточняют исходные результаты групп SCP и ΗΖΤ. Во-вторых, как я уже писал в начале этого раздела, и до результатов по сверхновым были наблюдательные и теоретические аргументы в пользу ненулевой космологической постоянной — например, противоречие между оценками возраста Вселенной и возрастом старейших объектов, предсказания теории инфляции. И, наконец, в-третьих, сейчас существует целый ряд новых, независимых от наблюдений SN Ia, тестов, также свидетельствующих об Ω_Λ > 0.