Невидимая рука Вселенной

Темная энергия не только ускоряет расширение Вселенной, но и определяет форму галактик и их рассредоточение в пространстве. В 1998 г. произошло одно из наиболее выдающихся космологических открытий XX в.: астрономы пришли к выводу о существовании неизвестной формы энергии, постоянно действующей и управляющей судьбой космоса, но остававшейся неведомой, — так называемой темной энергии. Она составляет большую часть Вселенной, и если данное утверждение выдержит проверку временем, то недалек тот день, когда станет возможным появление новых физических теорий.

НЕВИДИМАЯ РУКА ВСЕЛЕННОЙ Несмотря на то, что темная энергия была обнаружена на основании ее влияния на Вселенную в целом, она также может определять эволюцию отдельных космических обитателей — звезд, галактик и их скоплений.

По иронии судьбы всеобъемлющий характер темной энергии как раз и делает ее трудно узнаваемой. В отличие от обычного вещества она равномерно распределена повсюду, и независимо от места имеет одну и ту же плотность, около 10-26 кг/м3, что равноценно нескольким атомам водорода на кубометр. Вся темная энергия в пределах Солнечной системы по массе равна одному маленькому астероиду, поэтому в жизни планет ее роль ничтожна. Заметным ее влияние становится только на больших расстояниях и в течение длительного времени.

Еще Эдвин Хаббл установил, что все галактики, кроме ближайших, удаляются от нас. Скорость их удаления пропорциональна расстоянию: чем оно больше, тем быстрее галактика «убегает». Это означает, что разбегаются не сами галактики, а их уносит расширяющееся пространство Вселенной (см.: Дэвис Т. и Линевивер Ч. Парадоксы Большого взрыва // ВМН, № 6, 2005). Несколько десятилетий астрономы пытались ответить на вопрос: как со временем изменяется скорость расширения? Считалось, что она должна снижаться, т.к. гравитационное притяжение галактик друг к другу противодействует расширению.

Первое четкое указание на изменение в скорости расширения было получено при наблюдении далеких сверхновых. Эти массивные взрывающиеся звезды используются как показатель космического расширения, подобно тому, как, следя за сплавляемым лесом, измеряют скорость течения реки. Наблюдения за сверхновыми показали, что в прошлом расширение происходило медленнее, чем сегодня, значит, оно ускоряется. Точнее говоря, сначала оно замедлялось, но в какой-то момент все изменилось, и оно начало наращивать скорость (см.: Рисс А. и Тернер М. От замедления к ускорению // ВМН, № 5, 2004). Данный результат позже был подтвержден независимыми наблюдениями реликтового излучения, например, с помощью космической обсерватории WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

На межгалактических масштабах действуют иные законы гравитации, чем на меньших расстояниях, и поэтому притяжение галактик не может сдержать расширение. Согласно популярной гипотезе, законы гравитации всюду одинаковы, однако неизвестная ранее форма энергии противостоит ей и, преодолевая взаимное притяжение галактик, заставляет их разбегаться все быстрее. Несмотря на то, что темная энергия практически не ощутима в нашей Галактике, она становится наиболее мощной космической силой.

ОБЗОР: ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

  • Темная энергия, на которую возлагают ответственность за ускорение космического расширения, — неизвестная субстанция, действующая на Вселенную как антигравитационная сила.
  • Выяснилось, что темная энергия оказывает влияние и на вещество внутри Вселенной. Она способствует сохранению характерных деталей в распределении вещества на больших расстояниях. В меньших масштабах она, видимо, еще 6 млрд. лет назад прекратила рост скоплений галактик.
  • На еще меньших расстояниях темная энергия снижает скорость столкновения и слияния галактик, влияющую на их эволюцию. Если бы она была слабее или сильнее, скорость звездообразования в нашей Галактике была бы ниже, и не родились бы в достаточном количестве тяжелые элементы, из которых состоит наша планета.

Космический скульптор

Изучая новое явление, астрономы обнаружили, что темная энергия не только определяет скорость расширения Вселенной, но и приводит к долговременным последствиям на меньших расстояниях. Переходя от масштабов всей Вселенной к отдельным ее частям, вы в первую очередь замечаете, что вещество распределено в виде паутины — тонких нитей длиной в десятки миллионов световых лет, разделенных пустотами такого же масштаба. Моделирование показывает: чтобы возникла такая картина, потребуются как вещество, так и темная энергия.

В этом нет ничего удивительного. Нити и пустоты не являются связанными телами, такими как, например, планеты. Они не отделены от общего космического расширения и не обладают внутренним равновесием сил. Просто это особенности распределения вещества, возникшие в борьбе космического расширения с его гравитацией. В нашей Вселенной ни один из участников такого сражения не стал победителем. Если бы способствующая расширению темная энергия была мощнее, расширение бы «одержало верх», и вещество рассеялось бы и не сосредоточилось в нитях. А если бы темная энергия была слабее, вещество уплотнилось бы больше, чем сейчас.


Темная энергия может быть главным связующим звеном между различными теориями формирования галактик, ранее считавшимися независимыми

Ситуация усложняется, когда мы переходим к масштабам отдельных галактик и их скоплений. Галактики, в том числе и наша, не расширяются. Их размер контролируется равновесием между гравитацией и орбитальным движением звезд, газа и прочего вещества, из которого они состоят. Галактики растут только за счет аккреции вещества из межгалактического пространства и поглощения других галактик. Космическое расширение не оказывает на них заметного влияния. Таким образом, темная энергия вряд ли поведает нам о том, как они сформировались. То же касается и их скоплений — самых больших объединенных объектов во Вселенной, погруженных в громадное облако горячего газа и удерживаемых гравитацией.

Похоже, темная энергия может быть главным связующим звеном между различными теориями формирования галактик и их скоплений, еще недавно казавшимися независимыми. На это указывает то обстоятельство, что эволюция таких систем частично обусловлена взаимодействием и слиянием галактик, на которые может существенно влиять темная энергия.

Современные теории исходят из того, что вещество бывает двух типов. Первый из них — обычное вещество, частицы которого охотно взаимодействуют друг с другом, а если они имеют электрический заряд, то и с электромагнитным излучением. Астрономы называют такое вещество «барионным», поскольку его основная составляющая — барионы, т.е. протоны и нейтроны. Второй тип — темная материя (не путать с темной энергией), которой очень много. Она составляет 85% всего вещества, а ее характерная особенность состоит в том, что ее частицы не взаимодействуют с излучением. В смысле гравитации темное вещество ничем не отличается от обычного барионного.

Согласно моделям, сразу после Большого взрыва темное вещество начало собираться в сферические сгущения, которые астрономы называют «гало». Барионы же, напротив, сначала не сгущались: взаимодействуя друг с другом и с излучением, они оставались в горячей, газообразной фазе. При расширении Вселенной этот газ остывал, и барионы тоже получили возможность сгущаться. Первые звезды и галактики сформировались из остывшего газа спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — и не в случайных местах, а в центрах гало, состоящих из темной материи, которые к тому времени уже существовали.

Начиная с 1980-х гг. теоретики создали детальные компьютерные модели данного процесса. Например, группы Саймона Уайта (Simon D. M. White) из Астрофизического института Макса Планка в Гарчинге (Германия) и Карлоса Френка (Carlos S. Frenk) из Даремского университета в Англии показали, что первые структуры в основном были небольшими маломассивными гало из темной материи. А т.к. ранняя Вселенная была весьма плотной, эти маломассивные гало (и содержащиеся в них галактики) сливались, образуя системы большей массы. Поэтому формирование галактик было процессом наращивания, наподобие строительства домика из кубиков конструктора «Лего». Мы попытались проверить модели, наблюдая, как далекие галактики сливаются на протяжении космического времени.

СВИДЕТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ

Взрывы сверхновых
В расширяющейся Вселенной галактики разбегаются со скоростью, зависящей от расстояния между ними. Красное смещение спектральных линий сверхновых указывает скорость галактики, а яркость звезды — расстояние. Оказывается, миллиарды лет назад галактики разбегались медленнее, чем это можно представить при помощи простой экстраполяции современной скорости. В какой-то момент расширение стало ускоряться — так проявила себя темная энергия

Космическое реликтовое излучение
В распределении температуры реликтового излучения на небе видны пятна, размер которых отражает геометрию пространства, т.е. указывает плотность Вселенной, которая больше, чем дает все вещество — как обычное, так и темное. Разница может содержаться в темной энергии. Кроме того, на картину реликтового излучения влияет гравитационное поле космических структур. Сила влияния зависит от изменения скорости расширения Вселенной со временем и совпадает со значением, обусловленным темной энергией

Распределение галактик
Галактики разбросаны по небу не хаотически. Они объединены в структуры, и некоторые из них напоминают пятна в картине реликтового излучения. Их можно использовать для измерения полной массы Вселенной и подтверждения существования темной энергии

Гравитационное микролинзирование
Любая масса действует как линза (ее притяжение искривляет лучи света), которая, как кривое зеркало, может дать несколько изображений, если источник света располагается прямо за ней. А подобное совпадение тем вероятнее, чем больше Вселенная, размер которой, в свою очередь, зависит от количества темной энергии. Чем меньше масса линзы, тем слабее она отклоняет свет. Изучение данного эффекта позволит выявить рост скопления вещества и найти вклад темной энергии

Скопления галактик
Рентгеновские наблюдения рассказывают об эволюции массы в скоплениях галактик. Благодаря темной энергии можно объяснить, где и как они сформировались

Сверхновая 1994D в галактике NGC 4526
Сверхновая 1994D в галактике NGC 4526

Формирование галактик затухает

Компьютерное моделирование показывает, что при слиянии галактик друг с другом их форма существенно искажается. Самые ранние из них мы наблюдаем сейчас при возрасте Вселенной около миллиарда лет. Но с течением времени слияние крупных галактик происходит все реже. В течение первой половины космической истории (от 2 до 6 млрд. лет после Большого взрыва) доля сливающихся массивных галактик уменьшилась с половины практически до нуля. С тех пор распределение галактик по формам почти не менялось, а значит, столкновения и слияния стали редким явлением.

В современной Вселенной 98% массивных галактик либо спиральные, либо эллиптические. А если бы происходили слияния, то их форма была бы нарушена. К тому же они состоят в основном из старых звезд, а это свидетельствует о том, что сформировались они давно и с тех пор не меняют своих правильных очертаний.


Когда Вселенная была вдвое моложе, слияния галактик прекратились и черные дыры успокоились

Когда закончилась первая половина истории Вселенной, замедлилось не только слияние галактик, но и формирование звезд, в основном родившихся на заре мироздания. Это заметили еще в 1990-е гг. группы Саймона Лилли (Simon J. Lilly) из университета в Торонто, Пьеро Маду (Piero Madau) из Института космического телескопа и Чарлза Стейдела (Charles C. Steidel) из Калифорнийского технологического института. Позже выяснилось, что звездообразование в массивных галактиках прекратилось очень рано. Во второй половине истории Вселенной только в маломассивных системах продолжалось формирование звезд с заметной скоростью. Такую смену мест звездообразования называют «измельчанием галактик» (см.: Баджер Э. Космос: кризис среднего возраста // ВМН, № 4, 2005). Все это выглядит парадоксально. Согласно теории формирования галактик, вначале должны рождаться небольшие галактики, а при их слиянии возникать более крупные. Но история формирования звезд показывает обратное: вначале светила рождались только в массивных галактиках, а затем инициатива перешла к их небольшим собратьям.

Еще одна загадка состоит в том, что формирование сверхмассивных черных дыр в центрах галактик существенно замедлилось. Именно они и служат источником энергии квазаров и других типов активных галактик, которые в современной эпохе встречаются редко. В нашей и соседних галактиках черные дыры ведут себя спокойно. Как соотносятся данные изменения с эволюцией галактик? Не исключено, что главную роль здесь играет темная энергия.

ПОД КОНТРОЛЕМ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ

Несмотря на то, что сразу после Большого взрыва все начало развиваться стремительно, строительство Вселенной вскоре замедлилось. Вначале галактики сливались, меняли форму и активно формировали звезды, но эта деятельность начала затухать, когда темная энергия по мощи сравнялась с веществом (коричневая область на графиках). Совпадение?

Галактики перестали объединяться
Самые яркие галактики перестали сталкиваться и сливаться, когда Вселенной было около 6 млрд. лет. Более блеклые из них продолжали сливаться, но с меньшим энтузиазмом

Время от Большого взрыва (млрд. лет)

Галактики перестали объединяться

Галактики обрели правильную форму
Раньше большинство галактик выглядело бесформенными — признак их недавнего слияния друг с другом. Но по мере уменьшения частоты слияний самыми распространенными стали спиральные и эллиптические галактики

Галактики обрели правильную форму

Звездообразование замедлилось
В ранней Вселенной активно рождались звезды. Но вскоре, достигнув пика, частота рождения звезд стала снижаться. Сейчас она слабее, чем когда-либо

Звездообразование замедлилось

Темная энергия вступает в игру
Н
аблюдаемые явления могут быть связаны с тем, что при расширении Вселенной вещество становилось менее плотным и, когда оно сравнялось по плотности с темной энергией (в простейшей модели она постоянна), расширение от замедления перешло к ускорению. Галактики начали разбегаться быстрее, и у них стало меньше возможностей сталкиваться или захватывать газ для звездообразования

Темная энергия вступает в игру

В тисках темной энергии

Некоторые астрономы считают, что внутренние процессы, происходящие в галактиках, такие как выделение энергии черными дырами и сверхновыми, затормозили их эволюцию и рождение в них звезд. Однако темная энергия выглядит более фундаментальной силой, способной связать указанные явления. Основной аргумент в пользу данного утверждения — примерное совпадение по времени окончания формирования галактик и их скоплений с началом доминирования темной энергии, что произошло, когда Вселенная достигла «среднего» возраста.

До того времени плотность вещества была так высока, что взаимное притяжение галактик преобладало над влиянием темной энергии. Галактики встречались друг с другом и часто сливались. Когда газовые облака сталкивались внутри галактик, рождались звезды, а когда газ устремлялся к центру звездных систем, росли черные дыры. Но пространство расширялось, вещество редело, и его гравитация ослабевала, в то время как мощь темной энергии не менялась. Со временем баланс сил изменился, и замедленное расширение сменилось ускоренным. Структуры, в которых существовали галактики, разрывались на части, что приводило к постепенному снижению частоты слияния галактик. Межгалактический газ все менее охотно падал в галактики, и черные дыры, лишенные пищи, становились спокойнее.

Вероятно, описанные события и привели к измельчанию популяции галактик. Наиболее массивные гало из темной материи с внедренными в них галактиками располагаются ближе всего к центрам скоплений. Они существуют по соседству с другими массивными гало, поэтому и сталкиваться друг с другом они начали раньше, чем маломассивные системы. При этом в них происходит вспышка звездообразования. Новорожденные звезды ярко светятся, а затем взрываются, разогревая газ и не давая ему сжиматься в новые светила. Так звездообразование заглушает само себя: звезды разогревают газ, из которого они формируются, и тем самым предотвращают рождение новых. Черная дыра в центре такой галактики действует как еще один глушитель звездообразования. Слияние галактик питает газом черные дыры, заставляя их выбрасывать газовые струи (джеты), которые нагревают окружающий газ, не давая ему остывать и сжиматься в новые звезды.

Если в массивной галактике прекратилось звездообразование, то, скорее всего, оно уже не возобновится: газ в таких системах или уже истощился или стал таким горячим, что быстро остыть не может. Массивные галактики могут продолжать объединяться, но звездообразование в них будет очень слабым из-за дефицита холодного газа. В то время как активность массивных галактик слабеет, менее массивные продолжают сливаться и порождать звезды. В результате более крупные галактики обретают свою форму раньше менее значительных, что и подтверждается наблюдениями. Возможно, темная энергия управляет данным процессом, определяя темп кластеризации галактик и частоту их слияния. Она же контролирует эволюцию скоплений галактик.

Далекие скопления, наблюдаемые нами в ту эпоху, когда Вселенная была вдвое моложе, уже были такими же массивными, как и современные, и за последние 6–8 млрд. лет существенно не подросли. Это указывает на то, что слияние галактик в скопления прекратилось в те времена (явный признак влияния темной энергии на крупномасштабное взаимодействие галактик). В середине 1990-х гг. астрономы установили, что скопления галактик не растут последние 8 млрд. лет, и это приписывали меньшей, чем предсказывает теория, плотности вещества. Обнаружение темной энергии сняло противоречие между теорией и наблюдениями.


Пространство пустеет, превращая нашу галактику и ее ближайших соседей в одинокий остров

Еще несколько лет назад исследователи считали, что соседние с нами галактики, известные как Местная группа, т.е. Млечный Путь и его ближайшая соседка Туманность Андромеды со всеми своими спутниками, должны упасть на соседнее скопление в Деве (Virgo). Но сейчас представляется, что нам удастся избежать такой судьбы, и наша планета не станет частью большого скопления галактик. Дело в том, что темная энергия увеличивает расстояние между Землей и скоплением в Деве быстрее, чем местная группа движется туда.

Препятствуя эволюции скоплений, темная энергия контролирует и морфологический состав галактик. В скоплениях есть все условия для формирования разных типов галактик, таких как линзовидные, гигантские эллиптические и карликовые эллиптические галактики. Регулируя их способность объединяться в скопления, темная энергия определяет относительное число разных их типов.

Слияния галактик, активность черных дыр и звездообразование со временем ослабевают и, возможно, данные процессы взаимосвязаны. Обзоры, проводимые телескопом «Хаббл», рентгеновским телескопом «Чандра» и мощными наземными телескопами, дают изображения и спектры, которые позволят в ближайшие годы проследить всю цепь событий. Одно из важных направлений в данной работе — перепись далеких активных галактик и определение времени их последнего слияния. Такой анализ может потребовать разработки новых теоретических подходов, что и планируется осуществить в ближайшие годы.

СЦЕНАРИИ "ЧТО БЫЛО БЫ, ЕСЛИ…

Если бы во Вселенной было больше темной энергии, она выглядела бы совсем иначе. Космическое ускорение началось бы раньше, вещество разбегалось бы быстрее и остановило бы формирование больших структур еще в зародыше. Если бы темной энергии было меньше, все было бы наоборот. Каждый квадрат на этом рисунке представляет область, размер которой сегодня равен одному миллиарду световых лет и которая содержит 27 млн. частиц, представляющих галактики. В данной модели плотность темной энергии предполагалась постоянной, как в пространстве, так и во времени. Величина — важный космологический параметр, указывающий современную плотность темной энергии

Больше темной энергии $\Omega_\Lambda$ = 0,99

Больше темной энергии = 0,99

Наблюдаемое количество темной энергии $\Omega_\Lambda$ = 0,75

Наблюдаемое количество темной энергии = 0,75

Нет темной энергии $\Omega_\Lambda$= 0

Нет темной энергии = 0

Ранняя Вселенная: Когда размер Вселенной составляет 1/6 современного, вещество равномерно распределено во всех трех моделях. Темная энергия пока не оказывает заметного влияния

Переходный период: Когда размер Вселенной составляет 75% по сравнению с сегодняшним, влияние темной энергии очень велико. В сценарии с мощной темной энергией (верхний ряд) Вселенная выглядит хаотичной. В двух других сценариях формирование структур все еще продолжается: образуются тонкие нити

Наша эпоха: во Вселенной с наблюдаемым количеством темной энергии (средний ряд) формирование крупномасштабных структур завершено, при этом тонкие нити оказались застывшими. В сценарии с нулевой темной энергией (нижний ряд) нити продолжают расти

Нарушение баланса

Ускоренно расширяющаяся Вселенная, в которой доминирует темная энергия, позволяет лучше всего объяснить наблюдаемые изменения в мире галактик, а именно, прекращение их слияний и вызванных ими последствий, таких как затухание активного звездообразования и морфологическая эволюция галактик. Если бы темной энергии не существовало, то слияния галактик продолжались бы дольше, и Вселенная сейчас содержала бы больше массивных галактик со старым звездным населением. Кроме того, было бы меньше маломассивных систем, и спиральные галактики, подобные нашей, были бы очень редки (спирали не выдерживают слияний). Крупномасштабные системы галактик были бы плотнее, и их слияния происходили бы чаще.

Если бы темная энергия была мощнее, то во Вселенной было бы намного меньше слияний, а галактики и их скопления стали бы менее массивными. Увеличилось бы число спиральных и маломассивных карликовых неправильных галактик, поскольку слияния происходили бы редко. А скопления галактик стали бы гораздо менее массивными, а может быть, и не существовали бы совсем. Вероятно, звезды рождались бы очень редко, и большая часть барионной массы в нашей Вселенной все еще находилась бы в газообразном состоянии.

Тем не менее, эволюция галактик имеет прямое отношение к нашему существованию. В звездах рождаются химические элементы тяжелее лития, необходимые для формирования планет земного типа и для зарождения на них жизни. Слабое звездообразование может означать, что данные элементы не появятся в достаточном количестве, и во Вселенной будет мало планет, следовательно, жизнь может не возникнуть. Так что темная энергия могла оказать решающее влияние на многие на первый взгляд не связанные между собой свойства Вселенной и, возможно, даже на историю нашей планеты.

Темная энергия еще не закончила свою работу. С одной стороны, она полезна, поскольку должна предотвратить сжатие Вселенной, которого еще недавно опасались астрономы. Но темная энергия несет и некую опасность. Самое безобидное — она расталкивает галактики, которые разбегаются все быстрее, так что со временем мы потеряем их из виду. Пространство пустеет, превращая нашу галактику и ее соседей в изолированный остров. Скопления галактик, галактики и даже звезды разбредаются в межгалактическом пространстве, постепенно уменьшая сферу своего гравитационного влияния, доводя ее до собственных размеров.

Некоторые модели предсказывают, что темная энергия сможет эволюционировать, что со временем она будет доминировать все сильнее и начнет разрывать в клочья гравитационно связанные объекты, такие как скопления галактик и отдельные галактики. В конечном счете, Земля будет оторвана от Солнца и распылена в пространстве вместе со всем, что на ней находится. Будут разрушены даже атомы. Долго жившая в тени материи, темная энергия может жестоко отомстить.

Перевод: В.Г. Сурдин


ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА


Об авторе

Кристофер Конселис (Christopher Conselice) — преподаватель Ноттингемского университета в Англии, куда он недавно перешел из Калифорнийского технологического института, специалист по формированию галактик, руководит несколькими наблюдательными программами в оптическом и инфракрасном диапазонах на наземных и космических телескопах.

В мире науки, №6 2007

28 Июля 2011, 1:47    Oleg    5251    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.