Темна матерія і темна енергія у Всесвіті
Лекція
Валерій Анатолійович Рубаков
Інститут ядерних досліджень РАН, Москва, Росія
1. Введення
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.
|
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.
|
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%.
|
Порівняння цього розрахунку з піднаглядним кількістю легких елементів у Всесвіті наведено на рис. 4: лінії являють собою результати теоретичного розрахунку залежно від єдиного параметра - щільності звичайної речовини (баріонів), а прямокутники - спостережні дані. Чудово, що є згода для всіх трьох легких ядер (гелію-4, дейтерію і літію-7); згода є і з даними по реліктовому випромінюванню (показані вертикальною смугою на рис. 4, позначеної СМВ - Cosmic Microwave Background). Ця згода свідчить про те, що загальна теорія відносності і відомі закони ядерної фізики правильно описують Всесвіт у віці 1-200 секунд, коли речовина в ній мало температуру мільярд градусів і вище. Для нас важливо, що всі ці дані приводять до висновку про те, що щільність маси звичайної речовини в сучасному Всесвіті становить
тобто звичайна речовина вкладає всього 5% на повну щільність енергії у Всесвіті.
4 Дані спостережень з супутника WMAP.
4. Баланс енергій в сучасному Всесвіті
Отже, частка звичайної речовини (протонів, атомних ядер, електронів) у сумарній енергії в сучасній Всесвіту становить 5 всього 5%. Крім звичайної речовини у Всесвіті є і реліктові нейтрино - близько 300 нейтрино всіх типів в кубічному сантиметрі. Їхній внесок у повну енергію (масу) у Всесвіті невеликий, оскільки маси нейтрино малі, і становить свідомо не більше 3%. Решта 90-95% повної енергії у Всесвіті - «невідомо що». Більш того, це «невідомо що» складається з двох фракцій - темної матерії і темної енергії, як зображено на рис. 5.
|
5 При цьому речовини в зірках ще в 10 разів менше; звичайна речовина знаходиться в основному в хмарах газу.
5. Темна матерія
Темна матерія кшталт звичайного речовині в тому сенсі, що вона здатна збиратися в згустки (розміром, скажімо, з галактику або скупчення галактик) і бере участь у гравітаційних взаємодіях так само, як звичайна речовина. Швидше за все, вона складається з нових, не відкритих ще в земних умовах частинок.
|
Крім космологічних даних, на користь існування темної матерії служать вимірювання гравітаційного поля в скупченнях галактик і в галактиках. Є декілька способів вимірювання гравітаційного поля в скупченнях галактик, один з яких - гравітаційне лінзування, проілюстровані на рис. 6.
Гравітаційне поле скупчення викривлює промені світла, випущені галактикою, що знаходиться за скупченням, тобто гравітаційне поле діє як лінза. При цьому іноді з'являються кілька образів цієї віддаленої галактики; на лівій половині рис. 6 Вони мають блакитний колір. Викривлення світла залежить від розподілу маси в скупченні, незалежно від того, які частки цю масу створюють. Відновлене таким чином розподіл маси показано на правій половині рис. 6 блакитним кольором; видно, що воно сильно відрізняється від розподілу речовини, що світиться. Виміряні подібним чином маси скупчень галактик узгоджуються з тим, що темна матерія вкладає близько 25% в повну щільність енергії у Всесвіті. Нагадаємо, що це ж число виходить з порівняння теорії утворення структур (галактик, скупчень) з спостереженнями.
|
Темна матерія є і в галактиках. Це знову-таки слід з вимірів гравітаційного поля, тепер уже в галактиках і їх околицях. Чим сильніше гравітаційне поле, тим швидше обертаються навколо галактики зірки і хмари газу, так що вимірювання швидкостей обертання залежно від відстані до центру галактики дозволяють відновити розподіл маси в ній. Це проілюстровано на рис. 7: у міру віддалення від центру галактики швидкості обігу не зменшуються, що говорить про те, що в галактиці, в тому числі далеко від її світної частини, є несветящегося, темна матерія. У нашій Галактиці в околиці Сонця маса темної матерії приблизно дорівнює масі звичайної речовини.
Що являють собою частинки темної матерії? Ясно, що ці частки не повинні розпадатися на інші, більш легкі частинки, інакше б вони розпалися за час існування Всесвіту. Сам цей факт свідчить про те, що в природі діє новий, не відкритий поки закон збереження, що забороняє цим часткам розпадатися. Аналогія тут з законом збереження електричного заряду: електрон - це найлегша частинка з електричним зарядом, і саме тому він не розпадається на більш легкі частинки (наприклад, нейтрино і фотони). Далі, частинки темної матерії надзвичайно слабо взаємодіють з нашим речовиною, інакше вони були б вже виявлені в земних експериментах. Далі починається область гіпотез. Найбільш правдоподібною (але далеко не єдиною!) Представляється гіпотеза про те, що частинки темної матерії в 100-1000 разів важче протона, і що їх взаємодія зі звичайним речовиною за інтенсивністю порівнянно із взаємодією нейтрино. Саме в рамках цієї гіпотези сучасна щільність темної матерії знаходить просте пояснення: частинки темної матерії інтенсивно народжувалися і анігілювали в дуже ранньому Всесвіті при надвисоких температурах (порядку 10 15 градусів), і частина їх дожила до наших днів. При зазначених параметрах цих частинок їх сучасне кількість у Всесвіті виходить якраз таке, яке потрібно.
Чи можна очікувати відкриття частинок темної матерії в недалекому майбутньому в земних умовах? Оскільки ми сьогодні не знаємо природу цих частинок, відповісти на це питання цілком однозначно не можна. Проте, перспектива є досить оптимістичною.
Є декілька шляхів пошуку частинок темної матерії. Один з них пов'язаний з експериментами на майбутніх прискорювачах високої енергії - коллайдерах. Якщо частинки темної матерії дійсно важче протона в 100-1000 разів, то вони будуть народжуватися в зіткненнях звичайних частинок, розігнаних на коллайдерах до високих енергій (енергій, досягнутих на існуючих коллайдерах, для цього не вистачає). Найближчі перспективи тут пов'язані зі споруджуваним в міжнародному центрі ЦЕРН під Женевою Великим адронним колайдером (LHC), на якому будуть отримані зустрічні пучки протонів з енергією 7x7 тераелектронвольт. Потрібно сказати, що згідно популярним сьогодні гіпотез, частинки темної матерії - це лише один представник нового сімейства елементарних часток, так що поряд з відкриттям частинок темної матерії можна сподіватися на виявлення на прискорювачах цілого класу нових частинок і нових взаємодій. Космологія підказує, що відомими сьогодні «цеглинками» світ елементарних частинок далеко не вичерпується!
Інший шлях полягає в реєстрації частинок темної матерії, які літають навколо нас. Їх аж ніяк не мало: при масі, рівної 1000 мас протона, цих частинок тут і зараз повинно бути 1000 штук в кубічному метрі. Проблема в тому, що вони вкрай слабко взаємодіють із звичайними частинками, речовина для них прозоро. Тим не менш, частинки темної матерії зрідка стикаються з атомними ядрами, і ці зіткнення можна сподіватися зареєструвати. Пошук в цьому напрямку
|
Нарешті, ще один шлях пов'язаний з реєстрацією продуктів анігіляції частинок темної матерії між собою. Ці частинки повинні накопичуватися в центрі Землі і в центрі Сонця (речовина для них практично прозоро, і вони здатні провалюватися всередину Землі або Сонця). Там вони анігілюють один з одним, і при цьому утворюються інші частинки, у тому числі нейтрино. Ці нейтрино вільно проходять крізь товщу Землі або Сонця, і можуть бути зареєстровані спеціальними установками - нейтрино телескопами. Один з таких нейтринних телескопів розташований в глибині озера Байкал (НТ-200, рис. 8), інший (AMANDA) - глибоко в льоду на Південному полюсі.
|
Є й інші підходи до пошуку частинок темної матерії, наприклад, пошук продуктів їх анігіляції в центральній області нашої Галактики. Який з усіх цих шляхів перший приведе до успіху, покаже час, але в кожному разі відкриття цих нових частинок і вивчення їх властивостей стане найважливішим науковим досягненням. Ці частинки розкажуть нам про властивості Всесвіту через 10 -9 с (одна мільярдна секунди!) Після Великого Вибуху, коли температура Всесвіту становила 10 15 градусів, і частинки темної матерії інтенсивно взаємодіяли з космічною плазмою.
6. Темна енергія
Темна енергія - набагато більш дивна субстанція, ніж темна матерія. Почати з того, що вона не збирається в згустки, а рівномірно «розлита» у Всесвіті. В галактиках і скупченнях галактик її стільки ж, скільки поза ними. Саме незвичайне те, що темна енергія в певному сенсі відчуває антигравітацію. Ми вже говорили, що сучасними астрономічними методами можна не тільки виміряти нинішній темп розширення Всесвіту, а й визначити, як він змінювався з часом. Так от, астрономічні спостереження 6 свідчать про те, що сьогодні (і в недалекому минулому) Всесвіт розширюється з прискоренням: темп розширення зростає з часом. У цьому сенсі і можна говорити про антигравітації: звичайне гравітаційне тяжіння уповільнювало б розбігання галактик, а в нашому Всесвіті, виходить, все навпаки.
Така картина, взагалі кажучи, не суперечить загальній теорії відносності, однак для цього темна енергія повинна мати спеціальну властивість - негативним тиском. Це різко відрізняє його від звичайних форм матерії. Не буде перебільшенням сказати, що природа темної енергії - це головна загадка фундаментальної фізики XXI століття.
Один з кандидатів на роль темної енергії - вакуум. Щільність енергії вакууму не змінюється при розширенні Всесвіту, а це і означає негативний тиск вакууму 7. Інший кандидат - нове надслабких поле, що пронизує весь Всесвіт, для нього вживають термін «квінтесенція». Є й інші кандидати, але в будь-якому випадку темна енергія являє собою щось зовсім незвичайне.
Інший шлях пояснення прискореного розширення Всесвіту полягає в тому, щоб припустити, що самі закони гравітації видозмінюються на космологічних відстанях і космологічних часи. Така гіпотеза далеко не безневинна: спроби узагальнення загальної теорії відносності в цьому напрямку стикаються з серйозними труднощами.
Мабуть, якщо таке узагальнення взагалі можливо, то воно буде пов'язано з поданням про існування додаткових розмірностей простору, крім тих трьох вимірів, які ми сприймаємо в повсякденному досвіді.
На жаль, зараз не видно шляхів прямого експериментального дослідження темної енергії в земних умовах. Це, звичайно, не означає, що в майбутньому не може з'явитися нових блискучих ідей у цьому напрямку, але сьогодні надії на прояснення природи темної енергії (або, більш широко, причини прискореного розширення Всесвіту) пов'язані виключно з астрономічними спостереженнями та з отриманням нових, більш точних космологічних даних. Нам належить дізнатися в деталях, як саме розширювалася Всесвіт на відносно пізньому етапі її еволюції, і це, треба сподіватися, дозволить зробити вибір між різними гіпотезами.
6 Йдеться про спостереження наднових типу 1а.
7 Зміна енергії при зміні обсягу визначається тиском, ДЕ =-pΔV. При розширенні Всесвіту енергія вакууму росте разом з обсягом (щільність енергії постійна), що можливо, тільки якщо тиск вакууму негативно. Зазначимо, що протилежні знаки тиску і енергії вакууму прямо випливають з Лоренц-інваріантності.
7. Висновок
Як часто буває в науці, вражаючі успіхи фізики частинок і космології поставили несподівані і фундаментальні питання. Ми сьогодні не знаємо, що являє собою основна частина матерії у Всесвіті. Ми можемо тільки здогадуватися, які явища відбуваються на надмалих відстанях, і які процеси відбувалися у Всесвіті на самих ранніх етапах її еволюції. Чудово, що на багато з цих питань відповіді будуть знайдені в осяжному майбутньому - протягом 10-15 років, а може, й раніше. Наш час - це час кардинальної зміни погляду на природу, і головні відкриття тут ще попереду.
Адреса лекції в Інтернеті http://elementy.ru/lib/25560