Темна матерія і темна енергія у Всесвіті
Лекція
Валерій Анатолійович Рубаков
Інститут ядерних досліджень РАН, Москва, Росія
1. Введення
2. Розширюється Всесвіт
3. Всесвіт у минулому
4. Баланс енергій в сучасному Всесвіті
5. Темна матерія
6. Темна енергія
7. Висновок
1. Введення
Природознавство зараз знаходиться на початку нового, надзвичайно цікавого етапу свого розвитку. Він чудовий перш за все тим, що наука про мікросвіт - фізика елементарних частинок - і наука про Всесвіт - космологія - стають єдиною наукою про фундаментальні властивості оточуючого нас світу. Різними методами вони відповідають на одні й ті ж питання: який матерією наповнена Всесвіт сьогодні? Яка була її еволюція в минулому? Які процеси, що відбувалися між елементарними частинками в ранньому Всесвіті, привели в кінцевому підсумку до її сучасного стану? Якщо порівняно недавно обговорення такого роду питань зупинялося на рівні гіпотез, то сьогодні є численні експериментальні та спостережні дані, що дозволяють отримувати кількісні (!) Відповіді на ці питання. Це - ще одна особливість нинішнього етапу: космологія за останні 10-15 років стала точною наукою. Вже сьогодні дані спостережної космології мають високу точність; ще більше інформації про сучасну і ранньому Всесвіті буде отримано в найближчі роки.
Отримані останнім часом космологічні дані вимагають кардинального додатки сучасних уявлень про структуру матерії і про фундаментальні взаємодіях елементарних частинок. Сьогодні ми знаємо все або майже все про тих «цеглинках», з яких складається звичайне речовина - атоми, атомні ядра, що входять до складу ядер протони і нейтрони, - і про те, як взаємодіють між собою ці «цеглинки» на відстанях аж до 1 / 1000 розміру атомного ядра (рис. 1). Це знання отримано в результаті багаторічних експериментальних досліджень, в основному на прискорювачах, і теоретичного осмислення цих експериментів. Космологічні ж дані свідчать про існування нових типів часток, ще не відкриті в земних умовах і складових «темну матерію» у Всесвіті. Швидше за все, мова йде про цілий пласт нових явищ у фізиці мікросвіту, і цілком можливо, що цей пласт явищ буде відкритий в земних лабораторіях в недалекому майбутньому.
Рис. 1. Відомі елементарні частинки. Протони і нейтрони, що утворюють атомні ядра, самі складаються з кварків, які сьогодні вважаються елементарними. У природі існують також електрони і їх більш важкі короткоживучі аналоги - мюони (μ) і тау-лептони (τ). Крім цього, в природі є нейтрино трьох типів, v е, v μ і v τ. Нейтрино не мають електричного заряду і надзвичайно слабо взаємодіють з речовиною: як ілюстрації, вони пронизують Землю або Сонце практично вільно. На малюнку не показані фотони і інші частинки, відповідальні за взаємодії, - глюони, W ± - і Z-бозони. |
|
|
Ще більш дивним результатом спостережної космології стала вказівка на існування абсолютно нової форми матерії - «темної енергії».
Які властивості темної матерії і темної енергії? Які космологічні дані свідчать про їх існування? Про що воно говорить з точки зору фізики мікросвіту? Які перспективи вивчення темної матерії і темної енергії в земних умовах? Цим питанням і присвячена пропонована Вашій увазі лекція.
2. Розширюється Всесвіт
Є цілий ряд фактів, які говорять про властивості Всесвіту сьогодні і у відносно недалекому минулому.
Рис. 2 |
|
|
Всесвіт у цілому однорідна: всі області у Всесвіті виглядають однаково. Зрозуміло, це не відноситься до невеликих областей: є області, де багато зірок - це галактики; є області, де багато галактик, - це скупчення галактик; є й області, де галактик мало, - це гігантські порожнечі. Але області розміром 300 мільйонів світлових років і більше виглядають всі однаково. Про це однозначно свідчать астрономічні спостереження, в результаті яких складена «карта» Всесвіту до відстаней близько 10 млрд світлових років від нас 1. Потрібно сказати, що ця «карта» служить джерелом найціннішої інформації про сучасну Всесвіту, оскільки вона дозволяє на кількісному рівні визначити, як саме розподілено речовина у Всесвіті.
На рис. 2 показаний фрагмент цієї карти 2, що охоплює відносно невеликий обсяг Всесвіту. Видно, що у Всесвіті є структури досить великого розміру, але в цілому галактики «розкидані» в ній однорідно.
Всесвіт розширюється: галактики віддаляються один від одного. Простір розтягується на всі боки, і чим далі від нас знаходиться та чи інша галактика, тим швидше вона віддаляється від нас. Сьогодні темп цього розширення невеликий: всі відстані збільшаться вдвічі 3 приблизно за 15 млрд років, проте раніше темп розширення був набагато більше. Щільність речовини у Всесвіті зменшується з плином часу, і в майбутньому Всесвіт буде все більш і більш розрідженою. Навпаки, раніше Всесвіт був набагато більш щільною, ніж зараз. Про розширення Всесвіту прямо свідчить «почервоніння» світла, випущеного віддаленими галактиками або яскравими зірками: через загальне розтягування простору довжина хвилі світла збільшується за той час, поки він летить до нас. Саме це явище було встановлено Е. Хабблом в 1927 році і послужило наглядовою доказом розширення Всесвіту, передбаченого за три роки до цього Олександром Фрідманом.
Чудово, що сучасні спостережні дані дозволяють виміряти не тільки темп розширення Всесвіту в даний час, але простежити за темпом її розширення в минулому. Про результати цих вимірів і випливають з них далекосяжних висновках ми ще будемо говорити. Тут же скажімо про наступне: сам факт розширення Всесвіту, разом з теорією гравітації - загальною теорією відносності - свідчить про те, що в минулому Всесвіт був надзвичайно щільною та надзвичайно швидко розширювалася. Якщо простежити еволюцію Всесвіту назад у минуле, використовуючи відомі закони фізики, то ми прийдемо до висновку, що ця еволюція почалася з моменту Великого Вибуху, в цей момент речовина у Всесвіті було настільки щільним, а гравітаційна взаємодія настільки сильним, що відомі закони фізики були незастосовні . З тих пір минуло 14 млрд років, це - вік сучасної Всесвіту.
Всесвіт «тепла»: у ній є електромагнітне випромінювання, що характеризується температурою Т = 2,725 градусів Кельвіна (реліктові фотони, сьогодні представляють собою радіохвилі). Зрозуміло, ця температура сьогодні невелика (нижче температури рідкого гелію), однак це було далеко не так у минулому. У процесі розширення Всесвіт остигає, так що на ранніх стадіях її еволюції температура, як і щільність речовини, була набагато вищою, ніж сьогодні. Минулого Всесвіт був гарячою, щільною і швидко розширюється.
1 Про масштабність цього завдання свідчить така цифра: огляд SDSS, що триває в даний час, вже охоплює більше 300 тис. галактик, для яких обчислена як напрям, так і відстань.
2 Огляд Las Campanas, середина 90-х років.
3 Зрозуміло, це не відноситься до відстані від Землі до Сонця або відстані між зірками в Галактиці: Земля утримується поблизу Сонця силами гравітаційного тяжіння, і відстань від неї до Сонця не змінюється через розширення Всесвіту.
3. Всесвіт у минулому
Обговоримо два етапи еволюції Всесвіту, про які сьогодні є надійні спостережні дані. Один з них, відносно недавній - це етап переходу речовини у Всесвіті зі стану плазми в газоподібний стан. Це сталося при температурі 3000 градусів, а вік Всесвіту до того моменту становив 300 тис. років (зовсім небагато в порівнянні з сучасними 14 млрд років). До цього електрони і протони рухалися окремо один від одного, речовина являло собою плазму. При температурі 3000 градусів відбулося об'єднання електронів і протонів в атоми водню, і Всесвіт виявилася заповненою цим газом. Важливо, що плазма непрозора для електромагнітного випромінювання; фотони весь час випромінюються, поглинаються, розсіюються на електронах плазми. Газ, навпаки, прозорий. Значить, що прийшло до нас електромагнітне випромінювання з температурою 2,7 градуса вільно подорожувало у Всесвіті з моменту переходу плазма-газ, охолонувши (почервонівши) з тих пір в 1100 раз через розширення Всесвіту. Це реліктове електромагнітне випромінювання зберегло в собі інформацію про стан Всесвіту в момент переходу плазма-газ, з його допомогою ми маємо фотознімок (буквально!) Всесвіту у віці 300 тис. років, коли її температура становила 3000 градусів.
Вимірюючи температуру цього реліктового електромагнітного випромінювання, що прийшов до нас з різних напрямків на небі, ми дізнаємося, які області були тепліше або холодніше (а значить, щільніше або розрідження), ніж в середньому по Всесвіту, а головне - наскільки вони були тепліше або холодніше. Результат цих вимірів полягає в тому, що Всесвіт у віці 300 тис. років була набагато більш однорідною, ніж сьогодні: варіації температури і щільності становили тоді менше 10 -4 (0,01%) від середніх значень. Тим не менше, ці варіації існували: з різних напрямків електромагнітне випромінювання приходить з дещо різною температурою. Це показано на рис. 3, де зображено розподіл температури по небесній сфері (фотознімок ранньому Всесвіті) за вирахуванням середньої температури 2,725 градусів Кельвіна; більш холодні області показані синім, тепліші - червоним кольором 4.
Фотознімок, зображений на рис. 3, привів до кількох важливих і несподіваних висновків. По-перше, він дозволив встановити, що наше тривимірний простір з високим ступенем точності евклидово: сума кутів трикутника в ньому дорівнює 180 градусів навіть для трикутників зі сторонами, довжини яких порівнянні з розміром видимої частини Всесвіту, тобто порівнянні з 14 млрд світлових років. Взагалі кажучи, загальна теорія відносності припускає, що простір може бути не евклідовому, а викривленим; спостережні ж дані свідчать, що це не так (принаймні для нашої області Всесвіту). Спосіб вимірювання «суми кутів трикутника» на космологічних масштабах відстаней полягає в наступному. Можна надійно обчислити характерний просторовий розмір областей, де температура відрізняється від середньої: на момент переходу плазма-газ цей розмір визначається віком Всесвіту, тобто пропорційний 300 тис. світлових років. Спостережуваний кутовий розмір цих областей залежить від геометрії тривимірного простору, що і дає можливість встановити, що ця геометрія - евклідова.
У разі евклідової геометрії тривимірного простору загальна теорія відносності однозначно пов'язує темп розширення Всесвіту з сумарною щільністю всіх форм енергії, так само як у ньютонівської теорії тяжіння швидкість обертання Землі навколо Сонця визначається масою Сонця. Обмірюваний темп розширення відповідає повної щільності енергії в сучасному Всесвіті
У термінах щільності маси (оскільки енергія пов'язана з масою співвідношенням Е = mс 2) це число становить
Якби енергія у Всесвіті цілком визначалася енергією спокою звичайної речовини, то в середньому у Всесвіті було б 5 протонів в кубічному метрі. Ми побачимо, однак, що звичайної речовини у Всесвіті набагато менше.
По-друге, з фотознімку рис. 3 можна встановити, яка була величина (амплітуда) неоднорідностей температури і щільності в ранньому Всесвіті - вона становила 10 -4 -10 -5 від середніх значень. Саме з цих неоднорідностей щільності виникли галактики і скупчення галактик: області з більш високою щільністю притягували до себе навколишню речовину за рахунок гравітаційних сил, ставали ще більш щільними і в кінцевому підсумку утворювали галактики.
Оскільки початкові неоднорідності щільності відомі, процес утворення галактик можна розрахувати і результат порівняти з піднаглядним розподілом галактик у Всесвіті. Цей розрахунок узгоджується зі спостереженнями, тільки якщо припустити, що крім звичайної речовини у Всесвіті є інший тип речовини - темна матерія, вклад якої в повну щільність енергії сьогодні становить близько 25%.