Пусто и темно

Тигран Оганесян
10 сентября 2007, 00:00

Конец лета принес очередную космологическую сенсацию — обнаружена огромная полость во Вселенной, наполненная исключительно темной материей. Впрочем, научное сообщество не торопится с окончательными выводами

Современная астрофизика с удивительным постоянством загружает новостные ленты первостатейным материалом. Очередная научная сенсация, по первым прикидкам претендующая на попадание в неформальный шорт-лист крупнейших открытий нового века, подоспела на излете лета 2007 года.

Группа американских астрофизиков под руководством профессора Лоуренса Рудника из Университета Миннесоты обнаружила «колоссальное космическое ничто», огромную дыру во Вселенной, диаметр которой составляет, по условным оценкам первооткрывателей, примерно миллиард световых лет (один световой год — приблизительно 10 трлн км).

Главная изюминка открытия состоит в том, что в этой суперпустоте, условно занимающей участок небесной сферы в созвездии Эридана, предположительно отсутствует не только обычное вещество, но и пресловутая темная материя. Иными словами, как намекают американские ученые, главная физическая составляющая Суперпустоты Эридана — это неуловимая темная энергия (космический вакуум, всепроникающее сверхслабое поле или бог знает что еще, — о природе этой субстанции ученые до сих пор фактически ничего не знают).

Растерянность большинства обывателей перед новой загадкой природы поначалу приняла весьма забавные формы. В выпуске новостей одного из российских центральных телеканалов ведущий жутко напугал зрителей, сообщив, что ученые обнаружили во Вселенной гигантскую черную дыру.

Разумеется, ни о какой черной дыре на самом деле и речи быть не могло. Ведь даже самые крупные из этих полумистических объектов, которые образуются в ядрах галактик, при огромной массе, достигающей, по некоторым оценкам, сотен миллионов солнечных масс, очень малы по своим размерам. Скажем, диаметр черной дыры, или, точнее, ее так называемого горизонта событий, в центре нашей галактики — Млечного Пути — составляет всего 150-180 млн км.

Однако и в среде специалистов-космологов сделанная американскими астрофизиками заявка на открытие также вызвала порядочный идейный разброд. Часть коллег Лоуренса Рудника с большим энтузиазмом приветствовала полученные им результаты, признав их «очень серьезными и важными». Другие же ученые, напротив, посчитали предложенную им интерпретацию слишком скороспелой или даже просто сомнительной.

Космологи темнят

Прежде чем перейти к более детальному описанию проделанной группой Рудника работы, вкратце напомним, вокруг чего, собственно, разгорелся очередной космологический сыр-бор.

Космологи сравнительно давно установили, что обычное вещество, из которого состоят все известные физике элементарные частицы, вкладывают около 5% в полную энергию (массу) во Вселенной. Кроме того, от 0,3 до 3% полной энергии (массы) Вселенной, по-видимому, следует записать на счет так называемых реликтовых нейтрино. Где же запрятаны остальные 92–95%?

Долгое время считалось, что недостающая масса приходится на долю не обнаруженной пока невидимой, или темной, материи (первым астрономом, предложившим еще в 1932 году гипотезу о существовании темной материи, был голландец Ян Оорт). О ее физических свойствах и составе ученые с пеной у рта спорят на протяжении нескольких десятилетий, однако достоверной информаций пока еще крайне мало. Так, считается, что темная материя так же, как и обычное вещество, способна «комковаться», то есть собираться в большие сгустки (размерами с галактику или скопление галактик), и что она участвует в гравитационных взаимодействиях. Кроме того, неизвестные науке частицы, из которых предположительно состоит темная материя, чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом (в противном случае они были бы уже давно обнаружены в разнообразных экспериментах на земных ускорителях).

На этом, по большому счету, наши знания о темной материи заканчиваются, и начинается зыбкая почва научных гипотез. Среди множества предположений относительно того, что же представляет собой темная материя, наиболее популярной считается версия, согласно которой ее основными носителями являются стабильные нейтральные частицы (нейтралино) с очень большой массой (в сто и даже тысячу раз тяжелее, чем протоны).

Если частицы темной материи действительно настолько массивны, то они, по идее, должны рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на мощных ускорителях-коллайдерах до сверхвысоких энергий (как минимум нескольких десятков тераэлектронвольт). До сих пор достичь таких энергий физикам не удавалось. Но после долгожданного запуска в 2008 году Большого адронного коллайдера (LHC) в швейцарском ЦЕРНе шансы на поимку неуловимых нейтралино существенно возрастут.

Однако к концу 90-х в результате серии точных измерений астрофизики пришли к весьма неприятному выводу, что даже с учетом всех известных и еще не известных форм на «материальную составляющую» должно приходиться не более половины теоретически рассчитанной суммарной энергии космического вещества. Более того, согласно самым последним прикидкам ученых, совокупный вклад обычной и темной материи составляет и того меньше — лишь около одной трети суммарной энергии Вселенной.

Более или менее внятный ответ на новый каверзный вопрос «куда делись еще две трети?» был найден учеными благодаря важнейшему космологическому открытию все тех же 90-х. Оказалось, что процесс расширения Вселенной не только не замедляется, как долгое время считало большинство астрофизиков, а, напротив, ускоряется, и начало этому новому ускорению было положено примерно пять миллиардов лет назад. Чтобы объяснить этот феномен, космологи предположили, что наряду с обычным гравитационным притяжением в природе существует и гравитационное отталкивание — антигравитация.

Главным виновником нового ускорения расширения Вселенной космологи признали, особый вид материи, уже третий по счету, названный ими темной энергией. Соответственно, остававшиеся неучтенными две трети суммарной энергии Вселенной были списаны именно на эту третью субстанцию.

Две трети суммарной энергии Вселенной приходится на темную энергию

К сожалению, о физической природе темной энергии ученым известно еще меньше, чем о природе темной материи. По сути, наши знания о ней ограничиваются тем, что темная энергия имеет низкую плотность, не взаимодействует с электромагнитным излучением и, в отличие от темной материи, не собирается в «комки», а равномерно распределена по всей Вселенной. В галактиках и галактических кластерах ее примерно столько же, сколько и в межгалактическом пространстве.

Возможно, носителем темной энергии во Вселенной выступает некая универсальная физическая среда. Согласно другой популярной интерпретации, темная энергия — это энергия медленно меняющегося сверхслабого скалярного поля, однородно распределенного по всей Вселенной (Lambda-поля, для обозначения которого часто используется термин «квинтэссенция»).

Впрочем, все эти гипотезы представляются весьма умозрительными, поскольку каких-либо способов их экспериментальной проверки пока еще никем не предложено.

Суперпустота Эридана

Может ли обнаруженная американскими астрофизиками супердыра претендовать на статус эпохального космологического открытия, открывающего новую главу в многолетних исследованиях структуры Вселенной и физической природы составляющих ее видов вещества и энергии?

Наиболее впечатлительные коллеги Лоуренса Рудника уже поспешили воспеть ему хвалу и признать результаты его исследования чуть ли не самыми значимыми за последнее десятилетие. Директор Института вычислительной космологии при Дархэмском университете (Великобритания) Карлос Фрэнк отметил в интервью корреспонденту BBC, что «эта работа — очень элегантная и убедительная демонстрация реального существования темной энергии во Вселенной».

Однако так ли уж убедительна предложенная Рудником революционная интерпретация суперпустоты (в английском оригинале — supervoid) Эридана? Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, обратимся к тому набору экспериментальных фактов, на основании которых и была предложена сенсационная гипотеза.

По собственному признанию профессора Рудника, «повнимательнее приглядеться к таинственному участку небесной сферы в районе созведия Эридан» его поначалу заставило праздное любопытство. Изучая данные, полученные радиотелескопом VLA (Very Large Array) Национальной радиоастрономической обсерватории США в штате Нью-Мексико, он решил проверить собранную этим телескопом информацию о наличии различных источников радиоизлучения (радиогалактик и квазаров) на примере известной астрофизикам с 2004 года аномальной зоны — «холодного пятна WMAP».

Аномалия этой зоны заключается в том, что в ней ослаблено так называемое реликтовое излучение. Как известно, Вселенная заполнена довольно однородным электромагнитным излучением (радиационным космическим фоном) в виде реликтовых (образовавшихся на раннем этапе эволюции Вселенной) фотонов. Реликтовое излучение ранней Вселенной было впервые зафиксировано в 1964 году американцами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Выяснилось, что оно обладает спектром абсолютно черного тела и к настоящему времени имеет температуру 2,75 °K. В то же время неоднородность более поздней Вселенной (вариации плотности вещества в ее различных областях) наложила свой отпечаток на реликтовое излучение: оно приходит с разных сторон на Землю с различной интенсивностью. В начале 90-х благодаря данным спутника NASA COBE (Cosmic Microwave Background Explorer) выяснилось, что вариации этой интенсивности очень малы и составляют примерно одну стотысячную долю самой температуры излучения. Более совершенный космический аппарат NASA — Wilkinson Microwave Anisotopy Probe (WMAP), запущенный в 2001 году, за несколько лет составил еще более детальную карту температурного распределения реликтового фона Вселенной. Был выявлен проблемный участок в районе созвездия Эридан («холодное пятно WMAP»), на котором зафиксировано особенно заметное отклонение от среднестатистических показателей.

Несколько лет астрофизики гадали, считать эту температурную аномалию исторической особенностью реликтового излучения (следствием изначальной неравномерности его распределения в очень ранней Вселенной), или же причина его возникновения кроется в специфическом гравитационном воздействии на фотоны, оказываемом тем участком космического пространства, через который они проходят на своем пути к Земле.

Ответ на этот вопрос был получен группой Рудника благодаря уже упоминавшемуся анализу данных радиотелескопа VLA о количестве источников радиоизлучения в зоне «холодного пятна». К своему огромному удивлению американские астрофизики обнаружили, что на огромном участке диаметром в миллиард световых лет, составляющем большую часть «холодного пятна WMAP», эти радиоисточники практически отсутствуют. Это привело ученых к выводу о том, что в этой зоне нет ни галактик, ни галактических скоплений. То есть никаких статистически значимых признаков наличия как обычного (барионического) вещества, так и, по всей видимости, темной материи, ибо последняя имеет свойство «кучковаться» вместе с первым.

Таким образом, если и далее следовать логике Лоуренса Рудника и его коллег, в этом участке Вселенной мы имеем дело с колоссальной космической пустотой, внутри которой «нет практически ничего, кроме темной энергии». И именно темная энергия в конечном счете ответственна за температурную аномалию реликтового излучения в «холодном пятне WMAP»: реликтовые фотоны, проходящие через «пустотный» участок в районе созведия Эридан, теряют на выходе из него часть своей энергии, что и приводит к некоторому ослаблению (падению температуры) фиксируемого нашими приборами излучения, идущего из этой зоны.

Что скрывается внутри

Безусловно, версия Рудника о природе «холодного пятна WMAP» выглядит очень соблазнительной. Однако чрезмерные восторги по части нового открытия, на наш взгляд, пока явно неуместны.

И сам Рудник признает, что «полученные удивительные результаты вполне могут оказаться случайной статистической погрешностью и очевидно требуют дополнительного подтверждения другими исследовательскими группами».

Много вопросов возникает, например, относительно размеров обнаруженной американскими астрофизиками таинственной полости. Весьма велик пока и разброс оценок расстояния до нее: по данным Рудника и его коллег, Суперпустота Эридана находится на расстоянии от 6 до 10 млрд световых лет от нашей Солнечной системы. Большой загадкой остается и срок ее существования во Вселенной. По мнению Рудника, она могла сформироваться спустя несколько миллиардов лет после Большого Взрыва, но никаких внятных аргументов в пользу этой версии он не приводит.

Кроме того, нельзя не отметить, что обнаруженную группой Лоуренса Рудника гигантскую пустоту во Вселенной отнюдь не следует считать уникальным космологическим объектом. Современной науке известны как минимум несколько десятков таких суперпустот-войдов, то есть областей, где плотность космического вещества значительно ниже, чем в среднем во Вселенной.

В составленном еще в 1994 году выборочном цензе (переписи) крупномасштабных структур Вселенной был приведен список из 27 суперпустот. Диаметр самой крупной из них, безымянной №21, был оценен специалистами в 163 мегапарсека (1МПк = 3260 световым годам). И лишь немногим меньше (соответственно 158 и 146 МПк) оказался диаметр Южной и Северной Местных Суперпустот, обрамляющих Местное Скопление галактик (космический суперкластер, частью которого является наш Млечный Путь). Новый рекордсмен Суперпустота Эридана, по предварительным оценкам Рудника, тянет примерно на 280 МПк, так что, как отметил в беседе с корреспондентом «Эксперта» главный научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) доктор физико-математических наук Артур Чернин, на самом деле говорить о ее «необыкновенно больших размерах, затмевающих все предыдущие войды, не совсем корректно».

Но, пожалуй, наиболее слабым звеном в аргументации Рудника следует признать его утверждение, что внутри обнаруженной полости «нет почти ничего, кроме темной энергии». Комментируя для нашего журнала этот пассаж, заместитель директора Астрокосмического центра ФИАН член-корреспондент РАН Вячеслав Слыш заметил: «То, что в этой пустоте практически не обнаружено видимых источников излучения, вовсе не означает, что внутри нее на самом деле пусто. Этот войд вполне может быть под завязку набит той же темной материей, кроме того, пока нет никаких экспериментальных свидетельств и в пользу того, что темная энергия, чем бы она ни являлась на самом деле, предпочитает концентрироваться именно в подобных пустотах». Ведь, как мы уже говорили выше, по всей видимости, темная энергия равномерно распределена в космическом пространстве.