26. Темная энергия

    В 1998 г. было сделано сенсационное открытие антитяготения. Две группы ученых в США, одна под руководством А. Райсса и Б. Шмидта, другая − С. Перлмуттера, сообщили на основе наблюдений сверхновых типа 1а, что Вселенная расширяется с ускорением. Измеряя яркость сверхновых типа 1а, которые являются стандартными свечами во Вселенной, можно определить расстояние до неё − чем меньше яркость, тем больше расстояние. Скорость удаления сверхновой 1а определяют, используя эффект Доплера. Измеренная скорость удаления галактик, расположенных на расстоянии 5–10 млрд. световых лет оказалась ниже значения, предсказанного законом Хаббла. Сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем несколько млрд. лет назад. Ускоренное расширение Вселенной началось ~ 6,5 млрд. лет назад. Ускоренное расширение Вселенной связывают с наличием во Вселенной темной энергии − космического вакуума.
    Оказалось, что последние пять млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось (рис. 48). Было показано наличие во Вселенной гравитационного отталкивания − антигравитации. Оказалось, что вклад темной энергии, приводящей к ускоренному расширению Вселенной, в полную плотность материи во Вселенной составляет ~70%. По ускорению космологического расширения была измерена плотность темной энергии.

Рис. 48. Изменение расстояний в расширяющейся Вселенной.
t_m ≈ 100 000 лет, t_V = 6-8 млрд лет.

    Космологический вакуум обладает удивительными свойствами. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и холодной тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной (рис. 49). В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга. Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. Средняя плотность энергии вакуума ρ_вакуум ≈ 0.7·10^-29 г/см³ не изменяется со временем.

Рис. 49. Вещество и вакуум в расширяющейся Вселенной.

    Таким образом, в первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость её расширения замедлялась. Галактики и звезды удалялись друг от друга и плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды становились всё более редкими вкраплениями в космологическом вакууме, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума, в режим ускоренного расширения. Так как вакуум статичен, то и окружающий мир станет тоже статичным, но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического Λ-члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума.
    Как образуется космологический вакуум, и какова его природа ещё предстоит выяснить. Физический вакуум − особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Диаграммы таких процессов − образование пар электрон-позитрон и кварк-антикварк показаны на рис. 50.

Рис. 50. Образование в вакууме пар электрон-позитрон и кварк-антикварк.

    Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пустом пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех областях физики, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства.
    Данные астрофизических наблюдений однозначно свидетельст­вуют о наличии в нашей Вселенной тёмной материи и тёмной энергии, причём в масштабах значительно превосходящих обычную материю. В целом современная картина мира выглядит так: на обычное вещество приходится около 4% всей массы-энергии во Вселенной, в то время как остающиеся 96% вещества имеют неизвестную природу. При этом на тёмную материю приходится около 20–25% вещества, заполняющего Вселенную, а за остающиеся 70–75% отвечает тёмная энергия.

Рис. 51. Баланс энергий в современной Вселенной.

    Помимо трех основных составляющих Вселенной — барионной материи, темной материи и темной энергии – в современной Вселенной также присутствуют фотоны, дающие вклад в полную плотность материи ~4.9·10^-5, и нейтрино, дающие вклад в полную плотность материи ~0.3–1%. Однако, первые десятки тысяч лет жизни Вселенной фотонная и нейтринная компоненты доминировали во Вселенной.
    Барионная материя в основном представлена межгалактическим газом: на его долю приходится 3.6% в общем балансе массы-энергии. При этом звёзды, планеты и другие астрофизические объекты типа комет, астероидов составляют 0.4% вещества во Вселенной. Соотношение 3.6:0,4 установлено при помощи прямых астрономических наблюдений электромагнитного типа, проведённых в широком диапазоне длин волн от инфракрасного излучения до γ излучения и регистрации нейтрино и космических лучей.