 |
|
Ускоренное расширение Вселенной подтверждено
Международная группа учёных под руководством Алексея Вихлинина из Института космических исследований РАН экспериментально подтвердила ускоренное расширение Вселенной новым независимым методом и восстановила картину её развития во времени. Сейчас в ИКИ РАН ведут работы по созданию новой орбитальной рентгеновской обсерватории, одной из задач которой будет определение уравнения состояния тёмной энергии с беспрецедентной точностью.
Алексей Вихлинин, выступая с докладом на конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», прошедшей в ИКИ РАН, рассказал, что в прошлом веке по наблюдениям далёких сверхновых звёзд было показано, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения этого ускорения ввели понятие «тёмной энергии» («невидимой энергии»). Её свойства оказались весьма необычными — так, например, тёмная энергия должна обладать отрицательным давлением, чтобы «расталкивать» Вселенную. Установление природы этой загадочной тёмной энергии — одна из главных задач физики, поскольку, согласно современным представлениям, именно тёмная энергия определяет развитие нашего мира.
В основе работы международной группы учёных из Европы и США лежало исследование распределения массивных скоплений галактик в пространстве — основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной. (Крупномасштабную структуру можно представить как скопления галактик, соединённые филаментами — скоплениями газа, между которыми находятся пустоты.) Тёмная энергия должна оказывать существенное влияние на рост крупномасштабной структуры, поскольку она противодействует силе гравитационного притяжения материи и препятствует образованию сгущений вещества на больших масштабах расстояний. В наибольшей степени это влияние отражается на скорости образования массивных скоплений галактик. Такие скопления содержат тысячи галактик, подобных нашей, и могут иметь массы порядка 1014 масс Солнца. [6]
Экспериментально обнаружено и подробно исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Млечного Пути. Большая часть скоплений открыта на основании данных рентгеновского телескопа РОСАТ (Германия, НАСА). Измерения расстояний выполнены при помощи десятка оптических телескопов по всему миру: Keck, Magellan, NTT и др. Большое количество наблюдений проведено также при помощи российско-турецкого 1,5-метрового телескопа РТТ-150. Главный вклад в успех работы сделан орбитальной рентгеновской обсерваторией Чандра (США) — по её данным точно измерены массы скоплений.
На основе полученных результатов астрофизики восстановили картину развития Вселенной начиная примерно с 2/3 её возраста до настоящего времени, то есть в течение последних 5,5 миллиарда лет (что примерно соответствует возрасту Солнца). Результаты этого исследования показали, что рост крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился.
Сила, с которой тёмная энергия «расталкивает» вещество, описывается параметром уравнения состояния тёмной энергии, имеющим физический смысл, сходный с жёсткостью пружины. Исследователи провели наиболее точное на сегодняшний день измерение этого параметра. Полученные результаты подразумевают, что уравнения общей теории относительности (только с добавлением космологической постоянной) хорошо работают на всех наблюдаемых расстояниях — от радиусов орбит планет в нашей Солнечной системе до размеров всей наблюдаемой части Вселенной.
ИКИ РАН в сотрудничестве с институтами Общества им. Макса Планка (Германия) и другими научными организациями сейчас ведёт работы по созданию орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-рентген-гамма» (СРГ), запуск которой планируется в 2013 году. Обсерватория предназначена для полного обзора неба, в ходе которого, как ожидается, будет открыто порядка 100 тысяч скоплений галактик (то есть все массивные скопления галактик во Вселенной), примерно 3 млн ядер активных галактик (сверхмассивных чёрных дыр) и около 2 млн коронально-активных звёзд. На основе наблюдений массивных скоплений галактик предполагается более точно оценить скорость роста крупномасштабной структуры Вселенной, что, в свою очередь, позволит определить беспрецедентно точно уравнение состояния тёмной энергии.
Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления. Не исключено, что в рамках новой теории окажется, что наше пространство имеет не четыре, а пять измерений.
Рис.2. Скопление галактик Abel85, расположенное на расстоянии примерно 740 млн световых лет от Земли, зарегистрировано рентгеновской обсерваторией Чандра. Пурпурное свечение — это газ, разогретый до нескольких миллионов градусов.
Рис.3. Иллюстрация к модели роста космических структур Вселенной. Изображены три возраста Вселенной: 0,9 млрд, 3,2 млрд и 13,7 млрд лет (нынешнее состояние).
Рисунок показывает, что развитие Вселенной шло от однородной структуры к состоянию, характеризующемуся огромным количеством структур. Жёлтым показаны звёзды, самые яркие структуры — галактики и галактические скопления (кластеры).
Гипотеза о том, что Вселенная расширяется, теоретически обоснована Александром Фридманом в начале ХХ века, а наблюдения Эдвина Хаббла, выполненные в конце двадцатых годов, стали её экспериментальным подтверждением.
Чтобы оценить скорость расширения, астрономам нужно было найти какой-то класс объектов с известной светимостью («стандартных свечей»), которые можно использовать для измерения космологических расстояний. Самыми удобными и надёжными «свечами» оказались сверхновые типа Iа, вспыхивающие в тот момент, когда масса их предшественника — белого карлика — достигает хорошо известного предела Чандрасекара. Поскольку механизм взрыва универсален, все сверхновые типа Ia, находящиеся на одном расстоянии от нас, должны иметь примерно одинаковую светимость в максимуме, а наблюдаемая яркость вспышек, произошедших в разных галактиках, должна свидетельствовать о том, как сильно эти галактики удалены от Земли.
В конце прошлого века две исследовательские группы попытались составить массив экспериментальных данных по сверхновым типа Ia[2]. Одна из них, Supernova Cosmology Project, приступила к работе в 1988-м, и руководил ею г-н Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team, подключилась к исследованиям в 1994-м.
При обработке собранной информации учёные надеялись обнаружить замедляющееся расширение Вселенной. В получившей большую известность работе 1998 года, ведущим автором которой стал участник High-z Supernova Search Team Адам Рисс, было, однако, показано, что сверхновые типа Ia в галактиках, удаление которых определялось по закону Хаббла, имеют яркость ниже ожидаемой. Другими словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», превосходило дистанцию, рассчитанную по ранее установленному значению параметра Хаббла.
Отсюда следовало, чтоВселенная расширяется с ускорением.
Этот неожиданный результат заставил космологов пересмотреть имеющиеся модели. Напомним: сейчас для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной теоретики вводят понятие тёмной энергии.
Рис. 6. Согласно современным представлениям таинственная тёмная энергия, составляет по некоторым оценкам 65–70% (и даже до 75%) всей энергии Вселенной.
В сумме две группы исследователей обнаружили более 50 далёких сверхновых первого типа, свет от которых оказался слабее, чем ожидалось. Это был верный признак того, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Две группы перепроверили все возможные ошибки, но получили идентичные результаты.
Так в физике появилась концепция, напрямую влияющая на представления не только о ранних этапах эволюции космоса, но и о его далёком будущем.[8] 
Рис. 5. Современные представления об эволюции Вселенной и соотношения материи, тёмной материи и тёмной энергии (иллюстрация The Royal Swedish Academy of Sciences).
Благодаря работам нынешних лауреатов стало ясно, что расширение Вселенной не замедляется, как считалось на протяжении почти всего ХХ века, а ускоряется.
Согласно современным представлениям, доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет всего 5% (при этом вещества в звездах ещё в 10 раз меньше; большая часть обычной – барионной материи находится в основном в облаках газа). Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино — около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии, как изображено на рис. 6
ВЫВОДЫ
1. В 1998 году группа американских астрономов под руководством Адама Риса сообщила о знаменательном факте – Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.
2. «За открытие ускорения расширения Вселенной путем наблюдения за далёкими сверхновыми»Нобелевская премия по физике в 2011 году присуждена космологам Солу, Брайану и Адаму.
3. Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Riess, A. et al. 1998, Astronomical Journal, 116, 1009
2. Perlmutter, S. et al. 1999, Astrophysical Journal, 517, 565
3. Темная энергия вселенной// Сайт ” Вокруг Света”. – 2013. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6298/
4. Липунов В. М. Искусственная Вселенная, Соросовский образовательный журнал, N6. – М. Просвещение: 1998. – С. 83-89.
5. Квазары подтвердили ускоренное расширение Вселенной// Сайт ” Наука и техника”. – 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://lenta.ru/news/2012/04/12/cosmic/
6. УСКОРЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ПОДТВЕРЖДЕНО// Сайт ” Наука и жизнь”. – 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/15472/
7. Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский образова-тельный журнал. N5. – М.: Квант, 1998. С. 55-58.
8. Нобелевку по физике получили первооткрыватели ускоренного расширения Вселенной// Сайт ” О нанотехнологиях в России”. – 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/nobelevku-po-fizike-poluchili-pervootkryvateli-temnoi-energii