Чтение онлайн

Модифицированная ньютоновская динамика

Я проявил бы небрежность, если бы не упомянул в этой главе соперничающую гипотезу, способную полностью устранить необходимость в темной материи. Она получила название модифицированной ньютоновской динамики и утверждает, что сила тяжести массивного объекта уменьшается с расстоянием, которое немного отличается от знаменитого закона обратных квадратов Ньютона (о нем мы говорили в гл. 3). Есть и альтернативный взгляд: сила гравитационного притяжения могла бы оставаться ньютоновской, но реакция объекта на эту силу — его ускорение — отличалась бы от второго закона движения Ньютона, в котором a = F/m. Различия, как правило, становились бы существенными на очень больших расстояниях. Вот почему движения планет вокруг Солнца, по всей видимости, подчиняются ньютоновским ожиданиям, а движения звезд и газовых облаков во внешних частях галактик превосходят те прогнозы, которые мы делаем на основе материи, наблюдаемой в галактиках, и закона всемирного тяготения Ньютона. Кроме того, при помощи модифицированной ньютоновской динамики астрофизики пытаются объяснить некоторые подробности, связанные с кривыми вращения спиральных галактик, и сильную наблюдаемую связь общей яркости галактики со скоростью ее вращения (соотношение Талли — Фишера). Впрочем, большинство астрономов считают, что темная материя может объяснить гораздо больше.

Итак, определить темную материю и ее альтернативы нам по-прежнему не удается, несмотря на все наши попытки. Что же, пока лишь остается сказать: «Поживем — увидим».

Темная энергия

Призыв к еще одной невидимой форме материи-энергии впервые громко прозвучал в 1990-х годах, когда астрономы, работавшие с данными «Хаббла», заметили небольшое отклонение от одноименного закона Хаббла, устанавливающего связь между расстоянием до галактики и ее красным смещением (см. гл. 8). На наибольших расстояниях и соответствующих периодах аберрационного времени наблюдаемые красные смещения оказались немного меньше, чем ожидалось. Это означало, что галактики в ранней Вселенной расширялись и отдалялись друг от друга с несколько меньшей скоростью, чем та, какую мы наблюдаем в текущую эпоху. Двигаясь вперед во времени, Вселенная галактик, по-видимому, расширяется с непрестанно возрастающей скоростью. Это ускорение необходимо объяснить. Существует ли какой-то вид «отталкивающей гравитации», способный стать движущей силой этого форсированного расширения? Или происходит нечто иное?

Чтобы объяснить, почему галактическая Вселенная, которую мы наблюдаем, расширяется с ускорением, космологи привлекли новую форму материи-энергии — темную энергию. Та же самая невыразимая таинственная сила, если ее присутствие в наши дни окажется достаточно велико, легко объясняет исключительную топологическую плоскостность космоса (см. гл. 9). Более того, по-видимому, сценарии формирования галактик, а также их эволюции и объединения в группы согласуются лучше всего, если принять, что во Вселенной 73 % темной энергии, 26 % темной материи, как обычной, так и экзотической, и 1 % светящейся обычной материи — это модель Лямбда-CDM (?CDM), упомянутая в десятой главе.

Темная энергия многое успешно объясняла, поэтому и обрела популярность у космологов и астрофизиков. Однако остается важный вопрос — с чем мы имеем дело? Альберт Эйнштейн в своем уравнении гравитационного поля требовал положительной плотности энергии, или «давления», призванного противодействовать отрицательному давлению гравитации. Он ввел этот термин именно для данного случая, чтобы удержать Вселенную от коллапса в саму себя. Услышав, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал включение этого термина самым большим просчетом в своей карьере. Сегодня мы восстановили эту космологическую постоянную (?) как жизненно важный компонент космоса, требующий более глубокого понимания.

Некоторые космологи полагают, что темная энергия возникает в результате расширения самого пространства. Космос неуклонно растет, и к смешению темной и светящейся материи добавляется все больше темной энергии. Это означает, что баланс темной материи и темной энергии менялся с течением времени, причем в ранней Вселенной преобладала темная материя (рис. 13.3), а в текущую эпоху эта роль перешла к темной энергии. Эту эволюцию в некотором смысле подтверждают данные о красных смещениях галактик, рассчитанных в зависимости от расстояния и соответствующего аберрационного времени. Если это время превышает 10 млрд лет, измеренные красные смещения не указывают на расширение со сколь-либо заметным ускорением, однако при более «современных» показателях аберрационного времени свидетельства ускоряющегося расширения и связанной с ним темной энергии становятся намного весомее.

Лично мне интересно, все ли вызванные гравитацией сгущения вещества, произошедшие за космологическое время, приводили к соответствующему отталкиванию уплотняющихся объектов. Возможно, здесь действует некий закон сохранения, предполагающий высвобождение гравитационной энергии. В период своего формирования галактики были бы особенно склонны к этому антигравитационному дополнению к номинальному расширению космоса (так называемому «разбеганию»).

Рис. 13.3. Баланс темной материи и темной энергии в современную эпоху по сравнению с ним же 380 000 лет назад. Считается, что по мере расширения космоса доля темной энергии в этом сочетании становилась все более высокой, пока она не стала господствующей формой материи-энергии. (Материалы любезно предоставлены Научной группой NASA / WMAP.)

Это представление в высшей степени умозрительно, но у него есть нечто общее с более авторитетными идеями, поскольку оно требует наличия некоего посредника, способного стать движущей силой ускоряющегося расширения. Космологи называют его квинтэссенцией или «фантомной энергией», способной проявляться в виде силового поля, которое зависит от пространства и меняется со временем. По оценкам космологов, силовое поле эволюционировало от направленности внутрь к направленности наружу около 10 млрд лет назад — как раз тогда, когда материя начала преобладать над излучением и когда галактики начали собираться воедино. Однако эта картина космического расширения, ускоряющегося все быстрее, влечет мрачный прогноз. За неизвестные миллиарды лет вся наша Вселенная могла бы разорваться на части… целиком, вплоть до атомов, из которых состоят наши планеты, и ядер в этих атомах. Этот «большой разрыв» стал бы нашим концом.

Так сможет ли эволюционирующая квинтэссенция или неизменно устойчивая космологическая постоянная в конечном счете объяснить то ускорение, с которым расширяется Вселенная, и его движущую силу — темную энергию? Сейчас ученые не могут выбрать какой-либо вариант. Необходимо точнее измерить само расширение и подробнее картировать космический микроволновый фон. Слабая рябь, наблюдаемая в нем, уже произвела революцию в космологии — и еще может стать источником поразительных откровений.

14. Наше космическое достояние

Пытаясь понять что угодно как таковое, мы находим, что оно связано со всем остальным во Вселенной.

Джон Мьюир. Мое первое лето в Сьере

Вы все — это дети Вселенной, подобно деревьям и звездам, со всем правом в ней пребывать. И видите вы или нет, но она, несомненно, раскроется так, как должна.

Макс Эрманн. Desiderata

Мы все — телесные создания, и каждый из нас — воплощение хода всей космической истории. Каждый протон и нейтрон в каждом ядре каждого атома наших тел возникли из бурлящего хаоса, властвовавшего на протяжении первой миллионной доли секунды после Большого взрыва. Затем, в течение первой секунды, электроны, окружившие каждое ядро для создания цельных атомов, освободились из раскаленного «бульона». Так космос в мгновение ока породил субатомные компоненты, жизненно важные для нашего атомного и молекулярного «я».

Алхимия жизни

Более тяжелые атомы в наших телах происходят из самых разных космических уголков. Скажем, углерод, присутствующий в наших костях и мышцах, образовался в ходе термоядерного синтеза атомных ядер гелия, который протекал в глубоких недрах звезд средней массы, в то время находившихся на эволюционной стадии гигантов горизонтальной ветви. По мере эволюции в нестабильные звезды асимптотической ветви гигантов они высвобождали созданный углерод с помощью мощных ветров. Солнце — звезда средней массы, и поэтому служить источником углерода оно будет только через 4–5 млрд лет.

Кислород в воде, пронизывающий всю земную жизнь, появился на последних стадиях существования более массивных звезд, в центре которых давление и температура были достаточно высоки, чтобы переплавить атомные ядра углерода в кислород, кремний и железо. Все эти важнейшие элементы стали сырьем для последующих звезд, планет и жизненных форм, когда угасшие массивные звезды наконец взорвались как сверхновые и извергли свои химические творения в Галактику.

Каменистые планеты, подобные Земле, стали наследниками этого элементного изобилия. Астрономы предполагают, что эти планеты выросли из кристаллов, содержащих кремний и углерод, которые ранее затвердели в относительно прохладных внешних слоях атмосферы красных гигантов. Изгнанные прочь звездными ветрами, заледеневшие кристаллы промчались по Млечному Пути и смешались с формирующимся облаком межзвездного газа, которое оказалось на их пути. По мере того как части этих облаков под воздействием гравитации сжимались в протозвездные туманности и последующие протопланетные диски, кристаллы собирались в микроскопические пылинки, те скапливались в хондры размером с каплю, потом — в планетезимали размером с гальку, и, спустя несколько миллионов лет гравитационной конденсации, — в планеты, подобные Земле. Идея, согласно которой наша планета и все ее обитатели — это «звездное вещество», может показаться надуманной, но это правда!