Подробно:

Тёмная материя

Тёмная энергия и скрытая масса

---

Академик Российской академии естественных наук
и Российской академии космонавтики
Леонид Васильевич ЛЕСКОВ

Всемирное антитяготе́ние

В 1998-1999 гг. в космологии было сделано фундаментальное открытие — обнаружено существование всемирного антитяготения. Для этой цели был использован космический телескоп имени Хаббла, с помощью которого можно наблюдать самые далекие объекты. Открытие было сделано большим коллективом астрономов, одной из групп которого руководили Б. Смидт и А. Райес, другой — С. Перлмуттер.

Был использован метод, основанный на изучении вспышек сверхновых звезд. Астрономам известен тип сверхновых, которые они называют «стандартными свечами»: их собственная светимость в максимуме блеска меняется в довольно узких пределах. Это их свойство лежит в основе метода определения самых больших космологических расстояний.

В наблюдениях сверхновых определяются видимый блеск звезды́, по которому можно рассчитать расстояние, отделяющее её от Земли, и красное смещение спектральных линий, позволяющее определить скорость, с которой звезда удаляется от нас. Сопоставление результатов этих измерений позволило сделать удивительный вывод: Вселенная расширяется с ускорением. Из классической механики следует, что это возможно только в том случае, когда на звёзды и галактики действует сила, противодействующая тяготению, т.е. антигравитация. Источником антигравитации может служить только космический вакуум.

Некоторых теоретиков это утверждение смущает и они предпочитают говорить о «тёмной энергии». Однако что это за «энергия», они не знают. Разрабатываются различные теоретические модели, позволяющие разгадать её природу, но все эти модели пока далеки от завершения.

Зная величину ускорения, можно рассчитать энергию космического вакуума, ответственного за этот эффект. В единицах плотности массы эта величина оказалась равной 5*10^-30 г/см³.

О существовании эффекта антитяготе́ния космического вакуума теоретики подозревали со времени создания теории относительности Эйнштейна. Известно, что для построения модели стационарной Вселенной Эйнштейну пришлось ввести в свои уравнения космологический член. Физический смысл этой поправки в теории состоял в том, чтобы скомпенсировать силы тяготения. Но это и означало введение антигравитации.

Поэтому можно считать, что космический вакуум вошел в теорию с эйнште́йновской космологической постоянной. Вакуум Эйнштейна обладает плотностью и давлением, причем если плотность его положительна, то давление отрицательно. Это и создает эффект антигравитации.

Но если в модели Эйнштейна введение космического вакуума потребовалось для придания ей стационарного характера, то в реальной Вселенной, как показал эксперимент, он выполняет противоположную функцию — определяет её космологическое расширение, происходящее с ускорением.

Количественную связь между плотностью вакуума и его давлением теоретически ещё в 1967 г. исследовал Я.Б. Зельдович. Он получил простую формулу: Р =ρ_v c², (1).

Кроме Зельдовича, проблемой плотности энергии вакуума занимался Ричард Фейнман. Связав с вакуумом квантовое поле, он показал, что можно провести суммирование по всем модам колебаний этого поля. Поскольку частоты этих колебаний могут меняться от 0 до бесконечности, то их сумма является бесконечной величиной.

Надеясь в будущем отказаться от бесконечно большой энергии ва́куума, теоретики думали, что когда-нибудь будет найден способ обрезания частот и тогда вместо бесконечности появится конечная энергия обрезания. Но этого пока не получается.

После открытия явления антигравитации перед теоретиками встала задача объяснить механизм этого эффекта. По мнению некоторых из них, следует предположить, что Вселенная заполнена гипотетическим веществом, обладающим отрицательным давлением. Энергия этого вещества должна быть положительной и очень большой. Именно для этой энергии придумали термин «тёмная энергия».

Скрытая масса

Поскольку эффект антигравитации можно связать с эйнштейновским космологическим членом, теоретики занялись поиском механизмов его генерации. Итальянские физики К. Рубано и П. Скуделларо предложили модель скалярного поля, которое генерирует ускоренное расширение Вселенной. Но способов экспериментальной проверки этой модели пока нет. Поэтому теоретическая мысль космологов остановилась сейчас перед дилеммой: считать ли космологический член новой универсальной постоянной или продолжать поиски вещества, ответственного за тёмную энергию.

Оставим теоретиков с их проблемами и будем в дальнейшем опираться на простой эмпирический подход: органическим сво́йством антигравитации обладает непосредственно космический ва́куум. Не будем однако при этом забывать, что он, как мы уже отмечали, обладает квантовыми характеристиками.

Несколько ранее обнаружения антигравитации в космологи было сделано и другое фундаментальное открытие — феномен так называемых скрытых масс. У многих галактик-гигантов есть спутники — более мелкие галактики. Есть такие спутники и у нашей Галактики. Их называют Магеллановы Облака́. В соответствии с законом Кеплера с увеличением расстояния от Галактики их скорость должна убывать. Но измерение скоростей показало, что этого не происходит, они остаются постоянными.

Скрытая масса

На этом основании астрономы предположили, что в Галактике, кроме видимых звёзд, имеются и другие тяготеющие массы, причем распределенные по большому объему вокруг центрального Галактического диска. Эти массы и назвали скрытыми: они не светятся и обнаружить их с помощью стандартных средств наблюдения невозможно.

Феномен скрытых масс наблюдается и у других галактик, образуя вокруг их ядра весьма протяженную сферическую корону. Согласно последним данным, сфероидальная корона нашей Галактики простирается от ее диска на 200 кпк (или 650 тысяч световых лет). Чтобы уравновесить наблюдаемое движение звезд и галактик-спутников, в этой короне должна быть сосредоточена масса, значительно превышающая массу всех видимых звёзд.

Что представляет собой строительный материал этой короны? На эту роль астрономы предлагают разных кандидатов: потухшие звёзды, черные дыры, остывшие белые карлики, межзвездная пыль или даже реликтовые нейтрино, возникшие при Большом Взрыве. Поскольку этот вопрос не получил пока однозначного решения, у нас есть право предложить свое объяснение того, какую тайну прячут в себе скрытые массы. Учитывая свойства суперми́ра, предположим, что именно он выполняет функции скрытой массы. Думается, что он может неплохо справляться с этой ролью.

Диффузная форма супермира, окружающая Галактику, и отсутствие суперзвёзд, по-видимому, свидетельствуют о том, что гравитационная фундаментальная постоянная для суперматерии значительно меньше известного нам значения 10^-38. В результате сил термического давления оказывается достаточно, чтобы воспрепятствовать гравитационной аккреции суперматерии и образованию суперзвезд.

Скрытую массу, обладающую диффузной формой, оказывается, можно наблюдать, причем с помощью оптических методов. Для этого используется эффект «гравитационной линзы».

Представим себе ситуацию, что за большой по размеру диффузной скрытой массы находится далекая Галактика. Её излучение под влиянием гравитационного воздействия скрытой массы будет искажаться. В результате земной наблюдатель увидит не одну, а две совершенно одинаковые галактики и придет к выводу о том, что сработал эффект «гравитационной линзы», роль которой сыграла эта скрытая масса. Изучая детальные характеристики этого наблюдения, можно многое узнать о физических сво́йствах скрытой массы.

Ва́куум и судьба Вселенной

Согласно сделанным на основании наблюдений оценкам, средняя плотность скрытой массы во Вселенной составляет около 2*10^-30 г/см³. Напомним приведенную выше величину плотности энергии вакуума — 5*10^-30 г/см³. Средняя плотность вещества светящихся звезд тоже известна — это 2*10^-31 г/см³. Если выразить соотношение этих цифр в процентах, то легко убедиться, что основная часть энергии мира — 67% (по другим оценкам даже 75%) - приходится на космический вакуум, на скрытую массу 30%, а на обычное вещество — всего около 3%. Пои́стине у нас есть все основания называть нашу Вселенную неизвестной!

Самая плотная среда во Вселенной — это космический вакуум. При этом распределение его по Вселенной изотропно: его плотность постоянна повсюду, во всех её уголках. Мы с вами существуем в этом предельно энергетически насыщенном супе, но не замечаем этого, потому что это вакуум, хотя и квантовый.

Открытие антигравитации космического вакуума проливает свет на будущую судьбу Вселенной. Поскольку плотность вакуума постоянна, а расширение Вселенной происходит с ускорением, она будет расширяться неограниченно долго. Средняя плотность вещества будет при этом всё время убывать, а силы тяготения никогда больше не смогут преобладать во Вселенной.

Одновременно становится более ясной и предшествующая история Вселенной. На ранних этапах её эволюции, когда уже возникли тяготеющие массы (сначала скрытая масса, кварк-глюонная плазма, а затем атомы), господствующую роль играли силы всемирного тяготения. При возрасте мира 6-8 млрд. лет плотность скрытой массы упала до современного значения. Если удастся найти сверхновые, находящиеся от нас на этом расстоянии, этот эффект должны будут подтвердить точные измерения космологического расширения. И тогда станет ясно, что до этого времени расширение происходило не с ускорением, как сейчас, а с замедлением.

Это была эпоха доминирования скрытой массы. С её окончанием плотность вакуума стала превышать плотность скрытой массы и произошел переход к экспоненциальному режиму расширения. Таким образом, в первую половину своего существования Вселенная расширялась с замедлением, а во вторую — с ускорением. И этот второй процесс уже неостанови́м.

Здесь нам удалось раскрыть новые, причем очень необычные свойства ва́куума. Прежде всего стало ясно, что именно в нем сосредоточена основная часть энергии Вселенной. Поскольку плотность и давление вакуума остаются неизменными повсюду, это означает, что на него ничто и нигде не влияет. Он не испытывает обратного воздействия ни скрытой массы, ни обычного вещества. И следовательно, он не подчиняется третьему закону Ньютона, согласно которому действие всегда встречается с противодействием.

Но раз вакуум неизменен, то и свойства пространства-времени, которые он определяет, также должны быть инвариантными. Мир, в котором господствует вакуум, в межзвездных масштабах должен подчиняться геометрии Евклида и быть неизменным во времени. Следовательно, эволюция мира постепенно затухает, его пространственно-временной каркас, на фоне которого продолжается космологическое расширение, становится всё более статичным.

Модель мира, в котором присутствует только вакуум, была предложена ещё в 1917 году в работе де Ситтера, которую он опубликовал после создания Эйнштейном ОТО. Эта модель представляет собой частный случай космологической теории Фридмана, формально отвечающий отсутствию в мире нева́куумных форм материи. Отличительное свойство модели де Ситтера состоит в том, что ей соответствует неизменное, статичное пространство-время.

Это его свойство напоминает модель статической Вселенной, первоначально предложенную Эйнштейном. Но Эйнштейну для этого потребовалось ввести в свои уравнения космологический член, а в модели де Ситтера в этом нет необходимости. Неизменность вакуума делает мир неизменным и в том случае, когда в нём отсутствуют другие силы.