Глава 4. Влияние силы всемирного тяготения на расширение Вселенной

§4.6. Какая модель отвечает реальной Вселенной?

Хотя фридмановские модели сильно отличаются друг от друга и по геометрии, и по динамике, у них много общих свойств: однородность, изотропия, расширение, наличие красного смещения в спектрах галактик, наличие горизонта видимости во Вселенной. С наблюдательной точки зрения, различия пространств моделей I—IV существенны при исследовании только очень далеких объектов. Но имеющаяся в распоряжении ученых техника еще недостаточно чувствительна к изучению галактик и квазаров с очень большими красными смещениями. К тому же есть один фактор, маскирующий различия геометрии трех типов пространства на далеких расстояниях: это эволюция космических объектов, ведь более далекие объекты одновременно и более молоды, но законы этой эволюции известны еще недостаточно хорошо и поэтому их очень трудно учесть. Все это приводит к тому, что ученым до сих пор так и не удалось надежно определить истинную модель Вселенной.

Для того, чтобы сделать это, по меньшей мере необходимо знать среднюю плотность вещества. Легче всего оценить плотность светящегося вещества, т.е. "размазанную" плотность галактик. Она составляет около 0.5% критической, т.е. если бы во Вселенной ничего, кроме звезд и светящегося газа, не было, ее расширение было бы вечным, а пространство — бесконечным.

Однако в мире есть и несветящееся, невидимое вещество, называемое темной материей или скрытой массой. Самый первый довод в пользу существования темной материи, основанный на изучении движения галактик, входящих в состав скоплений, привел американский астроном Фриц Цвикки еще в 30-е годы: эти галактики имеют скорости хаотического движения (относительно центра скопления), превосходящие 1000 км/с. Суммарная масса всех галактик какого-либо большого скопления составляет около 10¹³ масс Солнца. Этой массы недостаточно, чтобы удержать галактики от разлета, и если бы в скоплениях не было невидимого вещества, эти системы распались бы всего за несколько миллиардов лет (тогда как на самом деле их возраст составляет, по последним оценкам, около 13 млрд. лет). Полная масса скоплений галактик должна составлять по меньшей мере 10¹⁴ масс Солнца, из них не более 10% может приходиться на обычное вещество.

Другой важный довод в пользу существования невидимого вещества, проявляющего себя только посредством гравитации, основан на предсказании общей теории относительности, согласно которому изменение геометрии пространства-времени вблизи массивных тел приводят к искривлению световых лучей (эффект гравитационной линзы). Поэтому если какой-либо светящийся объект расположен за массивным скоплением галактик, его изображение должно быть искажено. Это и наблюдается на самом деле (рис. 4.6.1). Изучая эти искажения, можно непосредственным образом измерить массу скопления галактик. Оказывается, массивные скопления должны иметь массы 10¹⁴ масс Солнца, в согласии с приведенным ранее результатом. Отметим, что и другие методы оценки масс скоплений подтверждают этот вывод.

Изучение динамики скоплений галактик приводит к выводу, что средняя плотность вещества во Вселенной должна составлять примерно20-30% критической плотности. Из чего может состоять недостающая материя? Возможный вариант — труднонаблюдаемый межгалактический газ. Действительно, оценки последних лет говорят о том, что полная плотность обычного (барионного) вещества примерно в десять раз превосходит массу видимого вещества, собранного в звезды (как были сделаны эти оценки, см. §5.4). Однако и этого недостаточно для объяснения всей скрытой массы.

В настоящее время считается, что большая часть невидимой материи существует в форме принципиально несветящегося вещества, состоящего из частиц, крайне слабо взаимодействующих и со светом, и с обычным веществом, и друг с другом. Еще в 30-е годы была обнаружена элементарная частица, обладающая такими свойствами — нейтрино. Если бы можно было соорудить свинцовую стену толщиной несколько световых лет, нейтрино пролетело бы сквозь нее, почти не затормозившись! Нейтрино могут образовывать огромные облака, внутри которых они связаны силой гравитации, но эти облака совершенно невидимы, поскольку нейтрино не взаимодействуют со светом. До сих пор окончательно не известно, есть ли у нейтрино масса покоя; только в том случае, если это так, нейтрино может быть кандидатом на роль скрытой массы. Летом 1998 года было объявлено, что на американо-японском детекторе нейтрино Суперкамиоканде удалось зафиксировать так называемые нейтринные осцилляции (самопроизвольные превращения нейтрино разных типов друг в друга), которые возможны только в том случае, если разные типы нейтрино имеют разные массы, т.е. хотя бы у некоторых из них масса не равна нулю. К сожалению, по данным этого эксперимента можно судить только о нижней границе массы нейтрино, она оказалась равной 0.1 эВ, что значительно меньше массы электрона (около 500 МэВ). Однако нейтрино чрезвычайно распространены во Вселенной (на один нуклон приходится около миллиарда нейтрино), поэтому суммарная масса нейтрино как минимум не уступает суммарной массе видимого вещества.

Помимо нейтрино, физики-теоретики предсказывают существование и других всепроникающих и слабовзаимодействующих частиц, которые должны иметь гораздо большие массы (фотино, гравитино и др.; общее название — холодная темная материя), которые, в отличие от нейтрино, пока не обнаружены экспериментально (существуют и еще более экзотические гипотезы о природе темной материи).

Перейдем к проблеме плотности энергии вакуума. Астрономические наблюдения накладывают жесткое ограничение сверху на значение этой величины: во всяком случае, она должна быть меньше критической. Весомым аргументом в пользу положительного значения космологической постоянной долгое время являлся так называемый парадокс возраста Вселенной: если постоянная Хаббла H ближе к своему верхнему пределу, то хаббловское время оказывается меньше возрастов старейших звезд (которые до недавнего времени оценивались примерно в 15 млрд. лет). Эту проблему можно решить, если предположить, что плотность вакуума положительна и в несколько раз превосходит плотность других видов материи, поскольку тогда Вселенная описывается фридмановской моделью IV и мы живем на стадии ускоренного расширения (рис. 4.6.2).

Однако в 1997 году европейский астрометрический спутник Hipparcos произвел очень точные измерения расстояния до некоторых цефеид, что привело к заметному снижению оценок возрастов старейших звезд (сейчас он оценивается примерно в 12 млрд. лет, хотя полного согласия среди ученых здесь пока нет), и сейчас парадокс возраста считается либо совсем устраненным, либо сильно утратившим актуальность.

В 1998 году две группы ученых, Supernova Cosmology Project и High-z Supernova Search, занимающиеся изучением взрывов Сверхновых типа Ia (напомним, одних из лучших "стандартных свечей") в далеких галактиках, сообщили сенсационные данные о характеристиках космологической модели: Вселенная в настоящее время расширяется с ускорением, причем ее геометрия является евклидовой. Это было установлено следующим образом. Если Вселенная расширяется с замедлением, то в прошлом скорости галактик были выше и, в соответствии с принципом “чем дальше в пространстве — тем глубже во времени” (см. §3.1), далекие галактики должны иметь большие скорости, чем это следует из закона Хаббла. Две вышеупомянутые группы, использовав для измерения относительных расстояний до галактик СН-Ia, установили, что в действительности имеет место отклонение от закона Хаббла в противоположную сторону, т.е. Вселенная расширяется с ускорением. Измеренная по этим данным плотность энергии вакуума составила 0.6 критической или выше. В апреле 2001 года этот вывод получил весомую поддержку с открытием с помощью космического телескопа им. Хаббла самой далекой сверхновой Ia (красное смещение z=1.7).

Итак, наилучшее совпадение с данными наблюдений имеет космологическая модель, в которой плотность примерно равна критической (т.е. пространство имеет евклидову геометрию), при этом на вакуум приходится 65%, на холодную темную материю 30%, на барионную скрытую массу 5%, на нейтрино и на видимое вещество по 0.5%; согласно этой наилучшей модели, Вселенная будет расширяться вечно и имеет возраст 13 млрд. лет (что согласуется с возрастами старейших звезд).

Эти данные следует признать предварительными. Ожидается, что в ближайшие 10-15 лет, благодаря вводу новых гигантских телескопов и спутников, оснащенных оптическими, радио- и рентгеновскими телескопами, проблема определения истинной геометрии Вселенной и ее судьбы будет решена.