Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Первый из этих аргументов уже упоминался — анализ анизотропии реликтового излучения показывает, что полная плотность нашей Вселенной близка к критической, в то время как плотность всех видов вещества составляет лишь около четверти критической. Этот дисбаланс компенсируется вкладом темной энергии. Еще одна группа свидетельств основывается на наблюдениях крупномасштабного распределения галактик. Так называемые акустические флуктуации, наблюдаемые примерно через 400 000 лет после Большого взрыва в реликтовом излучении (п. 2.4), должны были отпечататься и в распределении окружающих нас галактик на масштабах ~ 100 Мпк. Появление больших, однородных выборок галактик с измеренными красными смещениями позволило относительно недавно (в начале 2000-х годов) действительно обнаружить этот эффект. Его анализ дал возможность независимой оценки плотности вещества во Вселенной и, в сочетании с данными о реликтовом излучении, уточнил параметры темной энергии.

Эффект Сакса-Вольфа (изменение частоты фотона реликтового излучения, движущегося в изменяющемся гравитационном поле) приводит к появлению корреляции между наблюдаемой неоднородностью реликтового излучения и распределением относительно близких (z ≤ 1) галактик. Если во Вселенной доминирует вещество, этот эффект не проявляется. Если же космологическая постоянная достаточно велика, то она влияет на темп роста крупномасштабных структур (скоплений и сверхскоплений галактик) и приводит к тому, что поле возмущений гравитационного потенциала успевает измениться за время полета фотона от далекой галактики до нас. Следствием этого должна быть дополнительная анизотропия реликтового фона, зависящая от крупномасштабного распределения вещества в эпоху, когда темная энергия стала динамически важным компонентом Вселенной. Анализ крупномасштабного распределения галактик и радиоисточников подтвердил существование этого эффекта.

Неожиданный подход к изучению темной энергии дают излучающие в рентгеновском диапазоне скопления галактик. Скопления галактик, как обычно пишут, — это самые крупные гравитационно-связанные объекты Вселенной. Они содержат тысячи галактик в пределах нескольких мегапарсеков (напомню, что расстояние от нашей Галактики до туманности Андромеды составляет примерно 2/3 мегапарсека). Большой вклад в барионную массу скоплений дает горячий газ, являющийся источником сильного рентгеновского излучения. Предположив, что доля газа в скоплениях является постоянной и не зависит от красного смещения (эта доля просто отражает долю барионного вещества во Вселенной), можно получить независимые от красного смещения оценки расстояний до скоплений. Оказалось, что эти оценки согласуются с моделью Вселенной с большим значением космологической постоянной.

Есть и другие свидетельства существования темной энергии — подсчеты далеких скоплений галактик, слабое и сильное гравитационное линзирование и пр. Эти свидетельства следуют из разных, не связанных между собой наблюдательных эффектов. По отдельности к каждому из них можно придраться и придумать другое объяснение, но лишь существование темной энергии единым и, по сути, самым простым образом объясняет весь весьма разнородный комплекс данных. Именно совокупность наблюдательных тестов позволяет считать существование темной энергии надежно установленным фактом. Напомню, что расширение Вселенной и наличие в ней темной материи также подтверждается самыми разными и независимыми свидетельствами (разделы 2.2 и 2.5). Нелишне будет также напомнить, что темная энергия довольно естественным образом возникает и в разнообразных построениях теоретиков — в частности, эта энергия, возможно, представляет собой давно обсуждавшуюся (еще с первой половины XX века) энергию физического вакуума.

Основные участники этой истории — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Раисе — стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2011 год с официальной формулировкой «За открытие ускоренного расширения Вселенной с помощью наблюдений далеких сверхновых».

2.7. Портрет Вселенной

Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной.

Стивен Вайнберг

В предыдущих разделах я остановился на наиболее общих наблюдательных основах космологии, к которым можно отнести расширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю, ускоренное расширение. Это, конечно, далеко не все, что можно было обсудить. Например, я почти не писал о первичном нуклеосинтезе, предсказания которого подтверждают картину Большого взрыва, и о крупномасштабной структуре Вселенной, свойства которой также согласуются с этой картиной. К фундаменту космологии можно отнести и основную тему этой книги — факт, что ночное небо является темным, но к этому я снова вернусь в последней главе.