Что такое тёмная энергия

В данной статье будет показано, как возникла гипотеза о тёмной энергии, и почему она возникла именно на рубеже 20-21 столетий.

Чтобы это понять, нужно вспомнить, как появилась гипотеза Большого взрыва. Условия для появления самых невероятных гипотез начали формироваться на рубеже 19-20 столетий. В это время физика переживает ряд мировоззренческих катастроф (ультрафиолетовая катастрофа - согласно существовавшей тогда теории излучения наша Вселенная должна была мгновенно остыть, однако не остывала, дефект массы - при радиоактивном распаде и другие, необъяснимые с позиций классической физики явления). Вследствие этого физики были дезориентированы и пребывали в состоянии растерянности. Окончательную сумятицу в головы учёных внесла опубликованная в 1905 г специальная теория относительности Эйнштейна (СТО). В дополнение к известным преобразованиям Лоренца Эйнштейн добавил постулат о невозможности выделить единственную покоящуюся систему отсчёта, зафиксировал скорость света и в явном виде постулировал пустоту пространства. Пагубность введения общего принципа относительности состояла в том, что в физике была ликвидирована обязательность причинно-следственной связи между явлениями. После этого стало допустимым предполагать в природе всё что угодно. Ирония судьбы заключается в том, что формулы СТО (т.е. формулы преобразований Лоренца) действительно верны, ложной была лишь их физическая интерпретация в СТО. Об истинном физическом смысле преобразований Лоренца можно прочесть в работе Н. Носкова "Явление запаздывания потенциала"

Поскольку в природе стало допустимым всё что угодно, то введению общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) почти никто из физиков уже не сопротивлялся. Одно из решений уравнений ОТО, найденное А.Фридманом, было нестационарным, означающим расширение Вселенной. Это решение тоже уже было воспринято как возможное явление. Соответственно, сформулированный Хабблом в 1929г закон о зависи мости расстояния до галактики от её красного смещения немедленно был истолкован как свидетельство разлёта галактик. Далее следовала простая логика - если что-то разлетается, то должна быть точка, с которой начался разлёт. Так возникла теория Большого Взрыва "чего-то" в точке нулевой размерности. Что означает это взорвавшееся "что-то", разумеется, до сих пор непонятно. Дальнейшее развитие физики Космоса пошло по принципу "Мы рождены, чтоб сказку сделать былью". Сейчас в ходу многомерность пространства, множественные миры, кротовые норы, разнообразные спекулятивные теории и т. д. Не последнее место в параде фантастических идей занимает тёмная энергия.

Тёмная энергия в стандартную модель была введена в 1998 году. Введение этой гипотетической сущности потребовалось для объяснения расширения Вселенной с переменной скоростью. В конце 1990-х годов на основании проведённых наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Исходя из этого было постулировано существование неизвестного вида "тёмной энергии", которая и вызывает ускорение расширения Вселенной.

В моих предыдущих работах уже не раз высказывалось утверждение, что красное смещение галактик и квазаров определяется не разлётом галактик или расширением пространства, а сочетанием двух факторов - аккрецией межгалактического газа на ядро галактики и фоном ночного неба, скрывающим от наблюдений периферийные части галактик. В работе "Сила, о которой никто ничего не знает" было проведено предварительное обсуждение природы "тёмной энергии" с позиций аккреционно-фонового объяснения красного смещения. В данной работе я постараюсь объяснить, почему ускоренное расширение Вселенной было замечено только в 1990 г.

Красное смещение z излучения содержит доплеровскую и гравитационную компоненты. Доплеровская компонента z_D определяется скоростью удаления излучающего газа от наблюдателя. Гравитационное смещение z_G происходит за счет изменения энергии излучённого фотона, обусловленной работой сил гравитации при движении от точки излучения к фотопластинке (более подробно об этом можно посмотреть здесь). Полное красное смещение z вычисляется по формуле:

Для галактик малых масс и диаметров гравитационная компонента z_G уже на небольших расстояниях r становится сравнимой с доплеровской компонентой z_D и затем с увеличением расстояния растёт быстро и нелинейно. По этой причине полное красное смещение z таких галактик получается большим. Расстояние до таких галактик, найденное по закону Хаббла, оказывается завышенным на 1-2 порядка. Вследствие этого мощность излучения малых галактик завышается на 2-4 порядка. Из-за этого создаётся впечатление, что наблюдаются некие монстры, не поддающиеся объяснению. Светимость малых галактик (т.е. полная мощность их излучения) на самом деле невелика и на больших расстояниях они попросту становятся невидимыми.

Для галактик больших масс и диаметров имеет место противоположное явление. Для них до очень больших расстояний доминирующей является доплеровская компонента z_D, а зависимость между массой галактики М, расстоянием r и красным смещением z выражается формулой:

Из формулы (1) следует, что в группе равноудаленных от наблюдателя галактик (r = const) галактики малых масс имеют завышенное красное смещение z, а галактики больших масс заниженное. Используя классический закон Хаббла z = H·r/c для определения расстояний до галактик больших масс, мы будем занижать расстояние до этих галактик, так как z для них заниженное. Вот это явление и послужило причиной появления гипотезы о тёмной энергии.

До запуска телескопа Хаббл наблюдаемая часть Вселенной имела радиус порядка 10,5 млрд. световых лет. В восьмидесятых годах прошлого века две соперничающие исследовательские группы пытались составить массив экспериментальных данных по сверхновым типа Ia. По собранной информации учёные надеялись обнаружить замедляющееся расширение Вселенной. К 1988 году обе группы в общей сложности обнаружили около полусотни сверхновых. Однако наблюдения свидетельствовали о том, что сверхновые типа Ia в далёких галактиках имеют яркость ниже той, которая ожидалась в соответствии с законом Хаббла. Если эти наблюдения были верны, то это означало, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Факт неожиданный и в ту пору немыслимый. Но наблюдений было недостаточно, они велись на пределе возможностей наблюдательной техники и противоречили результатам, полученным ранее для более близких галактик. Требовалась перепроверка наблюдений и набор статистики. И такую возможность предоставил телескоп Хаббл, запущенный в апреле 1990 года и отодвинувший горизонт Вселенной почти на порядок до 93 миллиардов световых лет.

К 1998 году обе группы набрали необходимое количество наблюдений, подтвердивших, что сверхновые светят слабее, чем требуется по закону Хаббла. Заявление об этом они сделали почти одновременно, с разрывом в несколько месяцев. Истолкование полученному результату было дано уже привычным способом: ввели новую сущность - антигравитирующую "тёмную энергию". А в 2011 году астрофизикам группы, успевшей заявить первой об открытии, была присуждена Нобелевская премия. Happy end!

Однако зададимся вопросом: откуда обе группы набрали необходимое количество наблюдений? Естественно, наблюдения были набраны за пределом прежнего горизонта Вселенной. Значит, на огромных расстояниях, открытых телескопом Хаббл. И естественно, в выборку попали только яркие сверхгиганты - эллиптические, линзообразные и, возможно, самые крупные спиральные галактики, потому что более слабые галактики на таких расстояниях уже не видны. Все перечисленные виды галактик мало того, что сверхмассивны, но и диаметры у них огромны. В соответствии со сказанным выше, красное смещение у таких галактик будет заниженным. Расстояние до них, вычисленное по закону Хаббла, тоже окажется заниженным, то есть будет меньше, чем показывали сверхновые. Вот такова была основа открытой в 1998 году "тёмной энергии", породившей огромное количество новых фантазий в астрофизике.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 9 сентября 2012 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'