ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ В БЛИЖНЕЙ ВСЕЛЕННОЙ (продолжение)
Что происходит с четырехмерным пространством-временем мира, когда в нем начинает доминировать вакуум? Если в пределе больших времен полностью пренебречь влиянием темной материи, барионов и излучения, только темная энергия и будет определять свойства пространства времени. Ее плотность и давление не меняются со временем; с темной энергией вообще ничего не происходит, она всюду и всегда одна и та же. Но раз неизменная темная энергия и только она одна определяет свойства пространства-времени, то и само пространство-время всюду и всегда должно быть тогда одним и тем же. Это означает, что мир, в котором безраздельно господствует темная энергия, - это мир, неизменный во времени, и идеально однородный в пространстве. Так происходит превращение мира подвижного и расширяющегося в мир неподвижный; эволюция мира постепенно замирает, его пространственно временной каркас застывает и остается затем «замороженным» навсегда.
В полном соответствии с этим рассуждением стандартная модель космологии описывает мир темной энергии как мир асимптотически статический и неизменный. Такой мир называют миром де Ситтера, по имени голландского астронома, изучавшего еще в 1917-1918 гг. космологическую модель, в которой присутствует одна лишь темная энергия.
В мире де Ситтера скорости разбегающихся галактик следуют, как и прежде, закону Хаббла: V = HR, т.е. чем больше расстояние до галактики R, тем больше ее скорость удаления V. Темп космологического расширения характеризуется отношением скорости удаления галактики к расстоянию до нее: H = V/R. Это отношение называют постоянной Хаббла; она постоянна в том смысле, что в данный момент времени ее величина не зависит от направления на галактику и от расстояния до нее. Но галактики в мире де Ситтера - это всего лишь пробные частицы, и динамика их разлета управляется исключительно одним лишь антитяготением темной энергии. По этой причине постоянная Хаббла H должна здесь полностью определяться плотностью темной энергии; в этом предельном случае постоянная Хаббла не зависит не только от расстояний и направлений в пространстве - она не зависит и от времени. Зная по наблюдениям значение плотности темной энергии, можно найти величину постоянной Хаббла в мире де Ситтера: H = 62±2 километра в секунду на мегапарсек (в принятых у астрономов единицах; напомним, что 1 мегапарсек - 1 Мпк - приблизительно равен 3 млн св. лет). Таково асимптотическое значение постоянной Хаббла в пределе больших космологических времен.
Интересно сравнить это ее значение с реальными измерениями постоянной Хаббла в современной Вселенной. По недавним (2007 г.) сообщениям самые точные данные о постоянной Хаббла для Вселенной как целого получены в исследованиях реликтового излучения на космическом аппарате WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): «глобальная» постоянная Хаббла составляет 70±3 км/с/Мпк. Эта величина не более чем на 15% отличается от асимптотического значения постоянной Хаббла. Такая близость двух величин означает, что реальная современная Вселенная на самом деле не слишком далека по своим свойствам от мира де Ситтера. Этого, впрочем, и следовало ожидать, если вспомнить об уже не раз упомянутом значительном преобладании темной энергии над
другими формами космической энергии в современном мире.
Парадокс Хаббла-Сэндиджа
О глобальных свойствах Вселенной судят не только по данным о реликтовом излучении, но также и по наблюдениям разбегания галактик на самых больших расстояниях, - как это было в исследованиях, приведших к открытию антитяготения и темной энергии. Под большими расстояниями понимают при этом расстояния в 200-300 Мпк и более. Такой пространственный масштаб имеет особое значение для космологии.
Если мысленно выделить в объеме Вселенной области с размером в 200-300 Мпк (или более) и подсчитать в каждой из них число галактик, то это число окажется практически одинаковым для всех таких областей. Следовательно, галактики, их скопления и сверхскопления распределены в пространстве в среднем равномерно, однородно, если рассматривать их распределение на достаточно большом масштабе. Объем поперечником в 200-300 Мпк, начиная с которого распределение галактик представляется в среднем равномерным по пространству, называют ячейкой однородности во Вселенной. Современным наблюдениям доступны, как мы говорили, расстояния до примерно 3000 Мпк (1010 св. лет). Рассматриваемый на масштабах от 200-300 до 3000 Мпк, мир галактик выглядит очень простым - однородным и бесструктурным. Именно к таким глобальным масштабам применима стандартная космологическая модель, о которой мы говорили выше. При этом закон Хаббла вытекает из глобальной однородности мира как прямое следствие этой однородности: в однородном мире относительная скорость двух галактик должна быть пропорциональна расстоянию между ними. Так что этот закон - одно из глобальных свойств Вселенной, проявляющихся на ее самых больших пространственных масштабах.
Но приглядимся внимательнее к оригинальной хаббловской диаграмме (рис.2). Расстояния до галактик на ней (после исправления систематической ошибки - см. подпись к рис.2) не превышают 20 Мпк. А свое начало поток разбегания галактик берет всего на расстоянии в несколько мегапарсек от нас. Но это отнюдь не космологический масштаб - он гораздо меньше размера ячейки однородности во Вселенной. В объеме с радиусом до 20 Мпк никакой однородности нет. Напротив, галактики распределены здесь крайне нерегулярно: имеются сильные сгущения и разрежения вещества. Действительно, галактики образуют группы с размерами около одного мегапарсека, на расстоянии в 17 Мпк от нас находится центр большого скопления галактик в Деве. Как при такой сильной неоднородности здесь может существовать регулярный поток разбегания галактик с законом прямой пропорциональности скорости и расстояния? Ведь такое возможно лишь в случае однородного мира…
Этот вопрос отчетливо поставил четверть века назад А.Сэндидж, некогда сотрудник Хаббла, продолжатель его научной традиции в наблюдательной космологии. Он считал особенно загадочным то обстоятельство, что значения постоянной Хаббла, полученные глубоко внутри ячейки однородности, довольно близки к глобальным ее значениям (см. ниже). В 1999 г., через 70 лет после открытий Хаббла, Сэндидж писал об этом парадоксе: «Мы так и остаемся с этой тайной».
Ближняя Вселенная
По понятным причинам особый интерес представляет разбегание галактик на самых близких к нам расстояниях. Наиболее полные данные о ближней Вселенной получены в последние годы одним из авторов (И.К.) вместе с его сотрудниками в Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии Наук (САО РАН) и в кооперации с астрономами США, Германии и Украины. Наблюдения велись с помощью космического телескопа «Хаббл» - в общей сложности на протяжении около 200 орбитальных периодов. Использовался также и Большой телескоп САО РАН. Было изучено около двухсот галактик до расстояний в 7 Мпк от нас [2-4]. Расстояния до галактик удалось измерить с наилучшей достижимой в настоящее время точностью - 8-10%. Скорости (вдоль луча зрения) измерялись в основном с помощью радиоастрономических методов; их точность тоже высока - не хуже чем 2-5 км/с. Эти данные составляют наблюдательную основу новой картины нашего ближайшего галактического окружения; в ней, как оказывается, центральную роль играет темная энергия.
Наша Галактика Млечный Путь вместе с Галактикой Андромеды и четырьмя десятками мелких галактик карликов образуют Местную группу галактик. Местная группа - гравитационно связанная квазистационарная система. Она занимает объем поперечником приблизительно в 2 Мпк. Никакого расширения эта группа галактик не обнаруживает. Наоборот, наша Галактика и Галактика Андромеды сближаются, двигаясь навстречу друг другу со скоростью около 100 км/с.
Сразу за границами объема Местной группы и до расстоя ний в 3 Мпк от центра группы наблюдают два десятка галактик карликов, суммарная масса которых мала по сравнению с массой Местной группы. Все они удаляются от центра Местной группы, причем скорости удаления тем больше, чем больше расстояние от центра. Это и есть ближайшая к нам область, в которой уверенно наблюдается регулярное разбегание галактик по закону Хаббла. О разбегании галактик здесь говорят как о местном хаббловском потоке. Этот поток можно заметить уже на оригинальной диаграмме Хаббла (рис.2), хотя он и был представлен там всего несколькими галактиками.
Новейшая диаграмма скорость-расстояние для расстояний до 3 Мпк показана на рис.3. Скорости и расстояния отсчитываются от центра Местной группы. На диаграмме отчетливо видны две различные по кинематике области - область Местной группы галактик и область местного хаббловского потока. В области группы (до расстояния приблизительно 1 Мпк от центра) галактики имеют и положительные (удаление от центра), и отрицательные (приближение к нему) радиальные скорости - как это и должно быть в квазистационарной системе. Что же касается области потока, все скорости в нем положительны - там галактики, как мы уже сказали, удаляются от центра группы. Поток весьма регулярен: скорость удаления галактик примерно пропорциональна их расстояниям от центра Местной группы. Измеренная по этим новым данным, местная постоянная Хаббла составляет 72±8 км/с/Мпк. Эта величина точно совпадает (без учета ошибок) с глобальным значением постоянной Хаббла. Не слишком далека она и от асимптотического значения глобальной постоянной Хаббла в стандартной космологической модели (62±2 км/с/Мпк - см. выше).
Данные наблюдений до расстояний в 7 Мпк позволяют изучить строение и кинематику двух других групп галактик вместе с потоками разбегания вокруг них [5-7]. Построенные для этих систем диаграммы скорость-расстояние (рис.4, 5) определенно обнаруживают те же принципиальные черты, что и Местная группа с ее потоком разбегания. Этот факт означает, что местный поток - не случайное или единичное образование в мире галактик, а типичная динамическая структура масштаба 1-3 Мпк в ближней Вселенной. То существенное о физике потоков, что мы узнаем из наблюдений местного потока, надежно подтверждается независимыми данными о двух других изученных нами потоках.
Локальная плотность темной энергии
Какова природа локальных хаббловских потоков? Что делает их такими, как они есть, - регулярными и столь похожими друг на друга? Почему постоянная Хаббла, характеризующая темп расширения, оказывается почти одной и той же по величине и в ближнем объеме, и на самых больших космологических расстояниях?
Все дело в темной энергии: создаваемое ею антитяготение служит основным динамическим фактором, который контролирует космологическое расширение на всех масштабах, где наблюдается регулярное космологическое расширение, - от границ Местной группы и до края видимой Вселенной. Такой ответ на эти вопросы предложен в 2000 г. в докладе другого автора этой статьи (А.Ч.) на космологическом симпозиуме COSPAR (Committee on Space Research) в Варшаве [8].
Чтобы непосредственно проверить эту возможность, следовало бы измерить ускорение, с которым происходит разбегание галактик в хаббловских потоках разных масштабов. В глобальном масштабе это и было сделано, как мы уже говорили, в 1998-1999 гг. Что же касается сравнительно малых масштабов, то - как это на первый взгляд ни покажется странным - такие измерения гораздо труднее произвести вблизи нас, чем у границ Вселенной. В частности, тот релятивистский эффект, который позволил найти положительное ускорение на самых больших расстояниях, на малых расстояниях уже неуловим. Описывающая этот эффект теория распространения света в однородном расширяющемся мире неприменима внутри ячейки однородности; но даже если и пренебречь неоднородностью самой по себе, все равно релятивистский эффект был бы пренебрежимо слаб на малых расстояниях. Поиск антитяготения и темной энергии в ближней Вселенной требует иного подхода.
Обратимся прежде всего к Местной группе и ее окрестностям. Наблюдательные данные, представленные на рис.3, позволяют составить довольно полное представление о динамической обстановке на расстояниях до 3 Мпк от нас. Здесь действуют два главных динамических фактора: тяготение, создаваемое темной материей и барионами Местной группы, а также антитяготение, создаваемое однородным распределением темной энергии, в которую погружены и сама Местная группа, и местный хаббловский поток разбегания вокруг нее. В области вне группы сила тяготения убывает - по закону Ньютона - как обратный квадрат расстояния, если смотреть из центра группы. Сила же антитяготения не убывает, а возрастает по мере удаления от того же центра: как мы знаем, по закону Эйнштейна она прямо пропорциональна расстоянию. Поэтому вблизи группы сильнее тяготение, а дальше от нее способно преобладать антитяготение.
Так и получается: если воспользоваться наблюдательными данными о суммарной массе галактик Местной Группы (несколько триллионов масс Солнца) и плотности темной энергии (см. выше), окажется, что стоит отойти от центра группы всего на 1.3-1.5 Мпк, и антитяготение станет уже сильнее тяготения.
Замечательно (и конечно, неслучайно), что как раз с тех же расстояний берет свое начало местный поток разбегания (рис.2, 3). Поток потому и выглядит таким упорядоченным и регулярным, что его динамика определяется главным образом однородной темной энергией. Как здесь, так и вокруг двух других групп на расстояниях 1.3-1.5 Мпк от их центров (см. рис.3-5) наблюдаемые галактики карлики локальных хаббловских потоков движутся как «пробные частицы» (их собственным тяготением можно пренебречь ввиду малости их полной массы) на идеально регулярном фоне темной энергии. Антитяготение темной энергии заставляет их двигаться с ускорением, так что скорость данной частицы тем больше, чем дальше она ушла от центра группы.
Но можно взглянуть на вещи и с другой стороны. Если верно, что местным потоком разбегания галактик управляет в основном темная энергия, то - обращая наши рассуждения - по наблюдаемой структуре потока можно получить представление о том, какова плотность темной энергии в ближней Вселенной. Действительно, глядя на рис.3, можно предположить, что антитяготение преобладает по крайней мере на расстоянии, скажем, 2 Мпк от центра группы: здесь поток определенно имеет уже весьма правильную структуру (см. рис.3). Воспользуемся еще данными о массе Местной группы и тогда найдем нижний предел для величины плотности. А если учесть, что роль антитяготения наверняка невелика у самых границ Местной группы (на расстоянии около 1 Мпк от ее центра), из этого будет вытекать и верхний предел для той же величины. Как мы видим, диаграмма скорость-расстояние позволяет «взвесить» темную энергию в ближней Вселенной: если не абсолютно точно измерить ее, то по крайней мере узнать пределы, в которых эта величина лежит.
Подобную оценку можно произвести и для двух других изученных нами потоков (рис.4, 5). Все три диаграммы независимо друг от друга и в полном согласии друг с другом дают почти один и тот же интервал допустимых значений плотности темной энергии вблизи нас, причем верхний предел примерно в 10 раз больше нижнего. Внутрь этого интервала попадает, как оказывается, то значение плотности темной энергии, которое получено в глобальных космологических наблюдениях. Так что результат таков: локальная плотность темной энергии близка к глобальной плотности, а, возможно, и точно совпадает с ней.
Очевидно, что подобный способ оценки плотности темной энергии полностью независим от глобальных космологических методов. В самом деле, чтобы получить ограничения сверху и снизу для плотности темной энергии, потребовалось знать (для каждого из трех потоков) всего только три исходных цифры: массу группы, ее размер и расстояние, на котором поток имеет уже более или менее регулярный вид. И вот эти-то вполне скромные по своему происхождению локальные величины дают в итоге значение физической постоянной, которой придается фундаментальное значение как в космологии, так и в микрофизике.
Где антитяготение сильнее тяготения
Наша оценка полностью согласуется с тем пониманием темной энергии, которое принято в стандартной космологической модели. При этом картина ближней Вселенной сильно отличается от глобального устройства Вселенной. Так, конечно, и должно быть: стандартная космологическая модель неприменима на масштабах нескольких мегапарсек. Вместо нее здесь нужна другая модель, которую, мы, собственно, и описали выше в общих и главных чертах. Это модель, в которой имеется идеально однородный фон темной энергии и погруженные в нее центральная тяготеющая масса (из темной материи и барионов Местной группы) плюс пробные частицы (галактики карлики) местного хаббловского потока вокруг нее.
При всем своем различии, обе модели - глобальная и локальная - обнаруживают определенное соответствие друг другу. Их объединяет темная энергия, которая играет ключевую роль в каждой из них. По существу локальная модель хаббловского потока описывает тот же феномен доминирующего антитяготения, о котором говорит и глобальная модель. Тем самым этому феномену придается универсальный характер: он один и тот же и в глобальном, и в локальном описании. Модели дополняют друг друга. При этом локальная модель тоже приобретает - благодаря антитяготению и темной энергии - космологический смысл.
Внутреннее соответствие двух моделей проявляется также и в том, что касается баланса сил. Во Вселенной как целом силы тяготения и антитяготения точно компенсируют друг друга во всем трехмерном (сопутствующем галактикам) пространстве при возрасте мира около 7 млрд лет (см. выше). В окрестностях Местной группы такая компенсация имеет место на расстоянии около полутора мегапарсека и притом во все времена после формирования Местной группы как квазистационарной системы (т.е. в последние 12-13 млрд лет - таков возраст группы). В этом смысле то, что во Вселенной происходит во времени, в ближнем объеме разворачивается в пространстве.
Еще одно проявление глубокого соответствия моделей - направление эволюции, описываемой каждой из них. Там, где в локальной модели частицы местного потока достигают расстояния в 3 Мпк от центра Местной группы, антитяготение в 8-10 раз сильнее тяготения. Раз так, тяготением здесь можно пренебречь и считать - в первом и главном приближении, - что пробные частицы движутся под действием одного лишь антитяготения. Таково асимптотическое состояние, к которому стремится местный поток, по мере того как его галактики удаляются от Местной группы. В этом состоянии динамика местного потока определяется исключительно темной энергией, а темп разбегания галактик задается плотностью темной энергии и только ею одной. Поэтому постоянная Хаббла, характеризующая темп ускоренного разбегания галактик, должна быть в этом асимптотическом состоянии точно такой же, как в мире де Ситтера (см. выше).
Выходит, что глобальный поток разбегания галактик и местный хаббловский поток имеют одну и ту же динамическую асимптотику - состояние безраздельного господства антитяготения темной энергии. К тому же в обоих случаях реальное состояние системы не так уж далеко от асимптотического, раз и здесь и там явно доминирует антитяготение темной энергии.
Но тогда становится понятным, почему значение местной постоянной Хаббла так близко к значению глобальной постоянной Хаббла: обе величины стремятся к одной и той же асимптотической величине (62±2 км/с/Мпк) и реально оказываются вблизи нее. Так разъясняется «тайна», которая долго тревожила астрономов: да, все дело в темной энергии.
Такой подход к парадоксу Хаббла-Сэндиджа легко распространяется на всю область масштабов внутри ячейки однородности - от 1-3 до 200-300 Мпк. Вот свежие наблюдательные данные об этих масштабах, полученные Сэндиджем и его коллегами за последние 15 лет с использованием космического телескопа «Хаббл». Главной целью было измерение постоянной Хаббла; оказалось, что в масштабах от 4 до 200 Мпк ее значение практически неизменно и составляет 62±7 км/с/Мпк. Если не считать ошибок измерений, эта наблюдаемая величина точно совпадает с теоретически вычисляемым асимптотическим значением постоянной Хаббла.
Для понимания динамики разбегания галактик на этих масштабах важнее всего то обстоятельство, что темная энергия заполняет идеально равномерно все космическое пространство. По этой причине Вселенная оказывается куда более однородной, чем об этом можно было судить ранее только по распределению галактик в ней. Действительно, внутри ячейки однородности существует мировой океан темной энергии, над гладкой поверхностью которого тут и там выступают отдельные редкие «пики донного рельефа» - сгущения темной материи и барионов, образующие группы и скопления галактик. На пики приходится сравнительно небольшая доля объема ячейки однородности. По этой причине исчезает противоречие, составляющее содержание парадокса Хаббла-Сэндиджа: раз мир почти везде однороден, разбегание галактик должно почти везде происходить по закону Хаббла и никак иначе. При этом постоянная Хаббла должна быть недалека от ее универсального асимптотического значения. С нашим разъяснением парадокса согласился недавно и Сэндидж; по его мнению, у идеи «космического вакуума нет сейчас жизнеспособной альтернативы» [9].
В заключение
Существование темной энергии придает новый смысл и значение хаббловским потокам сравнительно малых масштабов - от окрестностей Местной группы и до размера ячейки однородности. Они оказываются феноменом космологической природы: их динамикой управляет в основном та же сила всемирного антитяготения, что движет и глобальным космологическим расширением. С другой стороны, само существование таких потоков и их весьма регулярная структура, подчиняющаяся закону Хаббла, представляет собой прямое и независимое наблюдательное указание на присутствие в мире темной энергии.
Высокоточные наблюдения местных потоков с помощью космического телескопа «Хаббл» позволили дать первую (и пока единственную) независимую количественную оценку плотности темной энергии в ближней Вселенной на расстояниях всего в несколько мегапарсек от нас. Как оказалось, локальная плотность темной энергии близка к значению ее глобальной плотности, если только не точно совпадает с нею. Это новый независимый довод в пользу представления о темной энергии как о среде с всюду одинаковой плотностью, описываемой эйнштейновской космологической постоянной.
Галактические окрестности Млечного Пути становятся, таким образом, ареной фундаментальной науки, а хаббловские потоки вокруг нас превращаются в незаменимый «измерительный инструмент», подаренный природой для изучения темной энергии - главного энергетического ингредиента наблюдаемого физического мира.
Игорь Дмитриевич Караченцев, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией внегалактической астрономии и космологии Специальной астрофизической обсерватории РАН. Область научных интересов - наблюдательная космология.
Артур Давидович Чернин, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга МГУ. Работы относятся к космологии и теоретической астрофизике.