Проф. Р. Ровинский

В 20-х годах прошедшего века произошло коренное изменение прежней космологической парадигмы. Господствовавшую модель стационарной Вселенной, бесконечной в пространстве и времени, сменила модель развивающейся Вселенной, имеющей начало и последующее расширение. В ходе расширения шёл безостановочный процесс усложнения исходных элементов, рождение иерархии систем с последующим нарастанием в таких системах организованности и разнообразия процессов. Несмотря на трудности, с которыми приходилось сталкиваться создателям теории расширяющейся Вселенной, создавалась уверенность, что возникшая парадигма утверждается всерьез и надолго.

Однако во второй половине ХХ века произошли события, подорвавшие такую уверенность. Началось с того, что результаты проводившихся измерений тяготеющих масс галактик потрясли астрономов, а вслед за ними и всё научное сообщество. Такие измерения осуществлялись двумя независимыми методами, которые должны были уточнять результаты, но дали расхождения на порядок величины. Первый метод состоял в суммарной оценке массы всех звезд, составляющих исследуемую галактику, добавлению к этому масс пылевых и газовых туманностей, потухших звезд, предполагаемых черных дыр. Второй метод позволял оценить тяготеющую массу галактики в целом, путем измерения скорости вращения находящихся на ее периферии вещественных образований. Оказалось, что во всех случаях для удержания в сфере своего влияния подобных периферийных образований масса вещества галактики должна в 10 раз превышать ту, которая определялась первым способом. Масса галактики, определенная вторым способом, получила название динамической массы.

Начиная с 1985 года в заслуживающих доверия публикациях сообщались наблюдательные данные, подтверждающие, что такое положение имеет место во всех исследовавшихся эллиптических и спиральных галактиках, а также в скоплениях галактик, где также динамическая масса в 10 раз превышает суммарную массу вещества этих скоплений [1-4].

Космологическая наука внезапно столкнулась с ситуацией, которую невозможно игнорировать, но пока она не в состоянии ее разрешить. До сих пор астрономия в основном изучала вещественную часть Вселенной, то есть ту ее часть, в основе которой находятся три класса элементарных частиц: класс кварков, класс лептонов и класс бозонов. Для этих целей был создан могучий астрономический инструментарий – оптические и радиотелескопы, тончайшие приборы, способные регистрировать и исследовать приходящие из космоса излучения и корпускулярные частицы, а в последние десятилетия появились искусственные спутники Земли, способные выводить в космическое пространство все типы таких инструментов, что резко расширило наблюдательные возможности астрономии. Однако неожиданно выяснилось, что вещество – это небольшая часть Вселенной, всего порядка 5% тяготеющей ее массы. И непонятно, сможет ли существующий могучий инструментарий обеспечить проникновение в суть материи, которая составляет господствующую часть нашего Мира (95% тяготеющей массы). Не удивительно, что некоторые специалисты пессимистически изрекают: «Темные составляющие Вселенной – величайшая загадка современной космологии».

Предпринимаются попытки дать хотя бы общие объяснения явлений, с которыми мы столкнулись, опирающиеся на научные знания сегодняшнего дня. Достаточно ли таких знаний для решения столь непростой задачи? Возможности для этого не безграничны. Ограничимся рассмотрением того, что сегодня можно считать вполне допустимыми предположениями.

Возникает предположение, что, по крайней мере, часть темной материи все-таки является вещественной, но скрытой от наблюдательных возможностей. Для такого допущения есть основания. Прежде всего, речь идет о лептонных частицах нейтрино, образующихся в огромных количествах в процессах, главным образом связанных со слабыми взаимодействиями. Лишь в последние годы появились косвенные данные о том, что эти частицы обладают небольшой массой, примерно в 500 тысяч раз меньшей массы электрона. По оценкам концентрация нейтрино в космосе достигает от 200 до 500 частиц в кубическом сантиметре. Это на десятки порядков больше, чем концентрации барионных частиц – протонов и нейтронов. Поэтому в целом суммарная масса нейтрино в космосе оказывается вполне заметной, по разным оценкам она составляет от 0,5 до 16% тяготеющей массы Вселенной. Сильный разброс в оценках связан с тем, что пока точно определить массу нейтрино не удалось, как не вполне точно определена концентрация таких частиц в космосе. Далее без серьезных обоснований предполагается, что к суммарной массе нейтрино можно добавить различные объекты, имеющие вещественную природу, но скрытые от прямых наблюдений. Такая субстанция получила название «темной материи». Исходя из не вполне понятных предпосылок, ее тяготеющая масса оценивается примерно в 20%.

Для выяснения подлинной природы темной материи возник российско-итальянский проект «Рим – Памела». В основе проекта – созданный в России уникальный летный образец спектрометра, получивший название «Памела». Прибор будет выведен в космос на космическом аппарате «Ресурс ДК-1», где сможет проникнуть в мир темной материи путем измерения массы частиц, если этот мир состоит из элементарных частиц. В проекте кроме России и Италии участвуют Германия и Швеция.

Но даже если выяснится вещественная природа темной материи, остается не менее 70% субстанции явно невещественной природы. Эта субстанция получила название темной энергии. Здесь необходимо временно отключится от предыдущей темы, и рассмотреть другое выдающееся открытие конца ХХ века, которое, по-видимому, тесно переплетается с предположениями о темной энергии.

Речь пойдет еще об одном знаменательном астрономическом открытии, среди прочего разрешившим давние сомнения о возможности существования в Природе помимо сил гравитационного притяжения тел, обладающих массами, также сил отталкивания. Носителем таких сил считают физический вакуум, получивший название антигравитирующего вакуума.

Идею о существовании во Вселенной гравитационных сил отталкивания впервые высказал Эйнштейн в 1917 году, когда он решил распространить уравнения общей теории относительности (ОТО) на стационарную Вселенную. Только при таком допущении удалось решить проблему совмещения стационарности с существованием сил гравитационного притяжения. В уравнения своей теории Эйнштейн ввел константу , названную космологической постоянной, учитывавшую интенсивность антигравитирующего отталкивания. Эта постоянная равнялась мизерной величине, несоизмеримой с постоянной тяготения G. Но ускорение, сообщаемое телам под действием силы отталкивания, растет пропорционально расстоянию, в то время как ускорение под действием сил притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому на расстояниях, превышающих примерно один миллиард световых лет, силы отталкивания должны выделяться среди сил притяжения.

В результате открытия расширения Вселенной большинство космологов предпочло похоронить идею антигравитирующего вакуума и считать в уравнениях нестационарной Вселенной космологическую постоянную равной нулю. Однако эта идея была отвергнута не всеми. Начиная с 30-х годов прошлого века периодически на научных конференциях и в физических журналах возникали обсуждения тех последствий для Вселенной, которые вытекают из предположений об отличии космологической постоянной от нуля.

Но вот в 1988 году две независимые группы исследователей, одна под руководством профессора Саула Перлмутера (США), другая под руководством профессора Бриана Шмидта (Австралия) опубликовали результаты многолетних исследований ими взрывающихся в разных галактиках звезд типа Сверхновые 1. Взрыв Сверхновой – это окончание жизненного пути звезды, масса которой в несколько раз превышает массу Солнца. После взрыва возникает остаточная нейтронная звезда, которую также называют пульсаром. В момент максимального блеска Сверхновой ее светимость в десять миллиардов раз превышает светимость Солнца. Светимостью звезды называют энергию, которую она излучает во всем диапазоне электромагнитных волн за одну секунду. При такой светимости Сверхновая обнаруживает себя даже в отдаленных галактиках, находящихся на периферии видимой Вселенной. Сегодня известно, что взрывы Сверхновых – достаточно редкое явление. В одной галактике такое событие в среднем происходит один раз за 360 лет. Но галактик очень много, и при нынешних инструментальных возможностях в год удается зафиксировать до 20 таких событий.

Другая важная особенность Сверхновой состоит в том, что ее светимость в максимуме и в последующее время практически идентична у всех таких звезд. Это позволяет непосредственно определить ее абсолютную светимость. Сравнение абсолютной светимости с относительной светимостью, измеренной на входе телескопа, позволяет определить расстояние до звезды, а тем самым и расстояние до галактики, в которой она взорвалась. Такое определение расстояния не связано с привлечением тех или иных модельных представлений.

Другой способ определить расстояние до галактики – измерить в ее излучении красное смещение в сериях линий, испускаемых определенными атомами и молекулами, например, водородом или гелием. Красное смещение – это результат оптического эффекта Доплера, возникающий при удалении галактики от наблюдателя. По величине смещения определяется скорость удаления. Существует эмпирический закон Хаббла, утверждающий, что расстояние до удаляющейся галактики пропорционально ее скорости. Это позволяет по измеренной величине красного смещения определить расстояние до галактики. Но эмпирический закон Хаббла прямо связан с моделью Вселенной, в которой космологическая постоянная равна нулю. Если во всех случаях расстояния до удаляющихся галактик, измеренные обоими способами, совпадут между собой, то это означает, что , и об антигравитирующем вакууме следует забыть. Подобные совпадения наблюдаются у сравнительно близких галактик, то есть в области, где силы отталкивания теряются на фоне более могучих сил притяжения. Что же касается периферийных галактик, удаленных от наблюдателя более чем на миллиард световых лет, то, как показали обе группы исследователей, расстояния до Сверхновых в таких галактиках превышает расстояние, определенное по закону Хаббла. Это означает, что периферийные галактики убегают ускоренно, что доказывает существование в космосе сил отталкивания. Тем самым можно считать установленным, что космологическая постоянная равна небольшой положительной величине.

Существование в Природе, наряду с гравитационным притяжением, сил отталкивания имеет огромное значения для космологии. За такими силами вырисовывается некий источник мощнейшей энергии, о наличии которого наука подозревала, но ничего конкретного до этого не знала. Благодаря таким силам естественным образом удается объяснить природу первотолчка, приведшего к возникновению вещественной части Вселенной, что рассматривается в инфляционной теории, описывающей самую начальную фазу процесса, предшествовавшего тому, что получило название Большого Взрыва. Ускоренное движение периферийных галактик дает основание для предположений о далеком будущем Вселенной. Некоторыми теоретиками уже сегодня выдвигаются идеи о Большом Разрыве, завершающему историю, начавшуюся Большим Взрывом. И во всем этом вырисовывается тесная взаимосвязь открытия сил отталкивания с открытием темной энергии.

Вернемся к предположениям относительно темной энергии. Обращает на себя внимание, что эта господствующая во Вселенной субстанция реагирует с веществом только через гравитационные взаимодействия, и пока никаких других связей не обнаружено. Возникает предположение, что природа этой субстанции отлична от вещественной. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы. Это выражается, в частности, в том, что излучения и вещественные тела проходят через такую среду, не испытывая заметных физических воздействий. Но на микроуровне именно вакуум взаимодействует с элементарными частицами, снабжая их массой и определяя характер их взаимодействия между собой.

Без сомнения природа, как вещества, так и вакуума, материальна. Но философский термин «материя» носит слишком абстрактный характер. Еще Аристотель утверждал, что в реальном мире материя неразрывно связана с формой своего существования. В нашем мире явно различаются две такие формы – вещество и физический вакуум. Свойства темной энергии, насколько можно судить по их проявлениям, таковы, что дают основания для отнесения ее к той же форме, к которой относится физический вакуум. Более того, допустимы обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими вакууму антигравитационными свойствами.

В этой связи вырисовывается некая иерархия уровней, проявляющаяся во Вселенной. Существует базовый уровень, состоящий из господствующей субстанции, названной темной энергией, тесно связанной с антигравитационными свойствами. Можно предполагать, что от этого уровня исходят все выше лежащие уровни. С этих уровней начинается вещественная составляющая Вселенной. Это уровень Микромира, за ним идет уровень Макромира (зона нашего существования), за которым следует уровень Мегамира с неопределенной верхней границей. Каждый последующий уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. Особая роль в таком построении принадлежит базовому уровню, таинственной темной энергии, что позволяет считать ее, по определению П.Дэвиса [5], «суперсилой», достаточной для создания вещественной Вселенной, наделения ее веществом, светом, энергией, и придания ей структуры.

Задачей космологической науки в ближайшее время становится определение природы темной энергии, ее взаимодействия с веществом помимо обнаруживаемого сегодня гравитационного взаимодействия. Скорее всего при этом можно будет понять не только участие темной энергии в создании вещественной Вселенной, но ее роль в наблюдаемых «катастрофических» процессах, связанных с выделениями огромных порций энергии. Речь может идти о квазарах, о взрывах Сверхновых, о черных дырах и могучих гамма-всплесках. Иначе говоря, о событиях, наблюдаемых сегодняшними астрономическими средствами. Например, один из ярких примеров действия в нашей Вселенной огромной энергии произошел 29 марта 2003 года, когда в созвездии Льва был зарегистрирован мощнейший космический гамма-всплеск. Сразу же был обнаружен объект, создавший такой выброс – в видимой области спектра появилась сверхновая звезда. Но при этом гамма-вспышка превосходила все, что наблюдалось до этого. По красному смещению в спектре расстояние до источника определено более чем в 2 миллиарда световых лет. В оптическом диапазоне объект светил ярче нескольких сотен миллиардов солнц. По мнению астрофизиков обнаруженная гамма- вспышка является самым грандиозным событием после Большого Взрыва. Однако, механизмы таких явлений будут поняты лишь после того, как наука выяснит характер взаимодействия темной энергии с веществом.

Итак, пока допустимо предположить, что существует некое общее понятие термина «Вселенная», включающее все известные и, возможно, пока неизвестные формы материи. В рамках такой Вселенной существует небольшая, но очень важная ее часть, которую можно назвать вещественной Вселенной. Для этой части справедлива существующая парадигма Развивающейся Вселенной. Но отсутствует общая космологическая парадигма, которую космологи смогут сформировать только в результате того, что существенно возрастет научный уровень понимания последних астрономических открытий, а также возможных новых, не менее значительных открытий.

1. Astrophysical Journal, 1985, v. 299, p. 102 (US)
2. Physical Rev. Letters, 1986, v. 59, N 3, p.263 – 265 (US)
3. Astronomy and Astrophysics, 1990, v. 236, p. 99 – 106
4. M. Arnabaldi, K.S. Freemen, H. Ford, X. Hui, M. Capaccioli, ESO Press Release, 1994, 15 April
5. П. Девис, Суперсила, М.: «Мир», 1989


Июнь 2006 года

© 2006 Reomar Rovinsky