Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Что думают физики о природе темной энергии? В общем доминирует мнение, что она весьма загадочна. Сейчас нельзя даже с уверенностью сказать, что плотность темной энергии не изменяется со временем, хотя данные наблюдений вроде бы свидетельствуют о ее постоянстве. Возможно, с темной энергией связаны очень легкие частицы, которые являются квантами какого-то скалярного поля. Не исключено, что это поле как-то связано с полем, запустившим первичную инфляцию, — но и здесь на самом деле ничего не известно. В общем, пока ни одна гипотеза о природе темной энергии не пользуется безусловной поддержкой специалистов.

Для получения более детальных сведений о темной энергии необходимо провести прецизионное фотометрическое и спектроскопическое наблюдение многих тысяч сверхновых. Рано или поздно это будет сделано.

Хотя природа темной энергии неизвестна, начало эпохи ее доминирования установлено вполне точно. Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному, когда плотность энергии вакуума превысила половину плотности материи (то есть барионного и темного вещества). Это случилось приблизительно 5 млрд лет назад. Если учесть, что возраст Вселенной равен 13,8 млрд лет, придется признать, что этот космологический тренд отнюдь не блещет новизной.

Открытие ускоряющегося расширения Вселенной считают великим достижением астрофизики XX в., научная значимость которого следует за открытием расширения Вселенной. Оно не только устранило прежние трудности, но и поставило новые задачи фундаментальной важности. Нынешняя плотность темной энергии по порядку величины совпадает с плотностью барионной и темной материи. Большинство физиков полагает, что темную энергию порождают квантовые флуктуации вакуума, которые вносят в нее и положительный, и отрицательный вклад. Согласно приблизительным оценкам, и те и другие должны давать гигантские плотности темной энергии, примерно 10 118ГэВ/см 3. Но ее реальная величина неизмеримо меньше — на 123 порядка! Выходит, что разность двух исполинских чисел лишь чуть-чуть отличается от нуля, что выглядит весьма странным. По мнению Виленкина, не исключено, что это игра случая. Возможно, что в других областях космоса такие флуктуации дали совсем иные значения плотности темной энергии, обернувшиеся либо быстрым расширением пространства, либо катастрофическим сжатием. В обоих случаях там не могли возникнуть галактики, звезды, планеты и тем более живые существа. Поэтому наблюдаемое значение плотности темной энергии, возможно, не имеет другого объяснения, кроме того аргумента, что при великом множестве прочих раскладов некому было бы его измерять.

Некоторые ученые (впрочем, они в меньшинстве) полагают, что плотность темной энергии не только не постоянна, но в будущем может довольно быстро расти. В этом случае Вселенная обречена на Большой разрыв, о котором говорилось в конце раздела о белых карликах. Но даже сторонники этой идеи не сомневаются, что в ближайшие несколько миллиардов лет Вселенная будет расширяться приблизительно нынешними темпами. На этом оптимистическом прогнозе можно и закончить.

В главе о темной энергии были перечислены космологические модели, созданные на базе ОТО, дополненной гипотезой об однородности и изотропности космического пространства. Это замкнутая вселенная Эйнштейна с постоянной положительной кривизной пространства, которая приобретает статичность благодаря введению в уравнения ОТО так называемого космологического параметра (его еще называют космологическим членом), действующего как антигравитационное поле; расширяющаяся с ускорением вселенная де Ситтера с неискривленным пространством, в которой нет обычной материи, но тоже заполненной антигравитирующим полем; закрытая и открытая вселенные Александра Фридмана; пограничный с этими вселенными мир Эйнштейна — де Ситтера, который с течением времени постепенно снижает скорость расширения до нуля; и наконец, растущая из сверхкомпактного начального состояния вселенная Леметра, прародительница космологии Большого взрыва. Все они, и особенно леметровская модель, стали предшественницами современной Стандартной модели нашей Вселенной.

Есть, однако, и другие вселенные, тоже порожденные весьма креативным, как сейчас принято говорить, использованием уравнений ОТО. Они куда меньше соответствуют (или не соответствуют вовсе) результатам астрономических и астрофизических наблюдений, но нередко весьма красивы, а подчас и элегантно парадоксальны. А поскольку они возникли на основе интеллектуальных ресурсов Астрофизической революции, имеет смысл вспомнить и об этих воображаемых мирах. Правда, математики и астрономы напридумывали их в таких количествах, что нам придется ограничиться лишь несколькими примерами.

После появления в 1917 г. основополагающих работ Эйнштейна и де Ситтера многие ученые стали пользоваться уравнениями ОТО для создания космологических моделей. Одним из первых это сделал нью-йоркский математик Эдвард Казнер, опубликовавший свое решение в 1921 г.

Его вселенная очень необычна. Начать с того, что в ней нет не только гравитирующей материи, но и антигравитирующего поля (другими словами, там отсутствует эйнштейновский космологический параметр). Казалось бы, в этом идеально пустом мире вообще ничего не может происходить. Однако Казнер допустил, что его гипотетическая вселенная неодинаково эволюционирует в разных направлениях. Она расширяется вдоль двух координатных осей, но сужается вдоль третьей оси. Посему это пространство очевидным образом анизотропно и по геометрическим очертаниям похоже на эллипсоид. Поскольку такой эллипсоид растягивается в двух направлениях и стягивается вдоль третьего, он постепенно превращается в плоский блин. При этом казнеровская вселенная отнюдь не худеет, ее объем увеличивается пропорционально возрасту. В начальный момент этот возраст равен нулю — и следовательно, объем тоже нулевой. Однако вселенные Казнера рождаются не из точечной сингулярности, как мир Леметра, а из чего-то вроде бесконечно тонкой спицы — ее начальный радиус равен бесконечности вдоль одной оси и нулю вдоль двух других.

В чем секрет эволюции этого пустого мира? Поскольку его пространство по-разному «сдвигается» вдоль разных направлений, возникают гравитационные приливные силы, которые и определяют его динамику. Казалось бы, от них можно избавиться, если уравнять скорости расширения по всем трем осям и тем самым ликвидировать анизотропность, однако математика подобной вольности не допускает. Правда, можно положить две из трех скоростей равными нулю (иначе говоря, зафиксировать размеры вселенной по двум координатным осям). В этом случае казнеровский мир будет расти лишь в одном направлении, причем строго пропорционально времени — это легко понять, поскольку именно так обязан увеличиваться его объем, но это и все, чего мы можем добиться.