В народе его сравнивают с эфиром, флогистоном или эпициклами. И все же почти все астрономы уверены: темная материя и темная энергия существуют. Вот почему.
Если вы посмотрите на то, что часто сообщается в новостях, у вас может сложиться впечатление, что темная материя и темная энергия - это карточные домики, которые только и ждут, чтобы их разрушили. Теоретики постоянно изучают другие варианты; отдельные галактики и их спутники, возможно, способствуют некоторому преобразованию гравитации в темную материю; существуют большие разногласия по поводу того, насколько быстро расширяется Вселенная, и выводы, которые мы сделали на основе данных о сверхновых, возможно, придется изменить. Учитывая, что в прошлом мы делали ошибочные предположения, предполагая, что невидимая Вселенная содержит вещества, которых просто не было, от эфира до флогистона, не будет ли большим скачком веры предположить, что 95% Вселенная - это какая-то невидимая, невидимая форма энергии, чем предположить, что в законе гравитации есть изъян?
Ответ - решительное, абсолютное нет, по мнению почти всех астрономов, астрофизиков и космологов, изучающих Вселенную. Вот почему.
Космология - это наука о том, что такое Вселенная, как она стала такой, какова ее судьба и из чего она состоит. Первоначально эти вопросы относились к сфере интересов поэтов, философов и теологов, но ХХ век прочно перенес эти вопросы в область науки. Когда Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности, первое, что он понял, это то, что если заполнить пространство, из которого состоит Вселенная, какой-либо формой материи или энергии, оно немедленно станет нестабильным. Если пространство содержит материю и энергию, оно может расширяться или сжиматься, но все статические решения неустойчивы. Как только мы измерили хаббловское расширение Вселенной и обнаружили оставшееся после Большого взрыва свечение в виде космического микроволнового фона, космология превратилась в задачу измерения двух величин: самой скорости расширения и того, как эта скорость менялась с течением времени. Измерьте их, и ОТО расскажет вам все, что вы хотите знать о Вселенной.
Эти два числа, известные как H_0 и q_0, называются параметром Хаббла и параметром замедления соответственно. Если вы возьмете Вселенную, заполненную веществом, и начнете ее расширять с определенной скоростью, вы вполне можете ожидать, что два основных физических явления - гравитационное притяжение и начальное расширение - будут бороться друг с другом. В зависимости от того, как все обернулось, Вселенная должна пойти по одному из трех путей:
- Вселенная расширяется достаточно быстро, так что даже со всей материей и энергией во Вселенной она может замедлить расширение, но никогда не обратить его вспять. В этом случае Вселенная расширяется вечно.
- Вселенная начинает быстро расширяться, но в ней слишком много материи и энергии. Расширение замедляется, останавливается, обращается вспять, и Вселенная в конце концов снова коллапсирует.
- Или, может быть, Вселенная - как третья тарелка каши в Златовласке - в самый раз. Возможно, скорость расширения и количество вещества во Вселенной идеально сбалансированы, а скорость расширения стремится к нулю.
Последний случай возможен только в том случае, если плотность энергии Вселенной равна некоторому идеально сбалансированному значению: критической плотности.
Это на самом деле красивая установка, потому что уравнения, которые вы получаете из общей теории относительности, здесь полностью детерминированы. Измерьте, как Вселенная расширяется сегодня и как она расширялась в прошлом, и вы точно узнаете, из чего должна состоять Вселенная. Вы можете узнать, сколько лет Вселенной, сколько в ней должно быть вещества и излучения (и кривизны, и любых других вещей), и много другой интересной информации. Если бы мы могли точно знать эти два числа, H_0 и q_0, мы бы сразу узнали и возраст Вселенной, и то, из чего она состоит.
Итак, у нас были некоторые предубеждения, когда мы начали этот путь. По эстетическим или математически предвзятым причинам некоторые люди предпочитали повторно коллапсирующую Вселенную, в то время как другие предпочитали критическую Вселенную, а третьи предпочитали открытую. На самом деле все, что вы можете сделать, если хотите понять Вселенную, - это исследовать ее и спросить, из чего она сделана. Наши законы физики говорят нам, по каким правилам играет Вселенная; остальное определяется путем измерения. Долгое время измерения постоянной Хаббла были весьма неопределенными, но стало ясно одно: если бы Вселенная состояла из 100% нормальной материи, Вселенная оказалась бы очень молодой.
Если бы скорость расширения H_0 была высокой, например, 100 км/с/Мпк, Вселенной было бы всего 6,5 миллиардов лет. Учитывая, что возраст звезд в шаровых скоплениях, по общему признанию, некоторых из самых старых звезд во Вселенной был по крайней мере 12 миллиардов лет (а многие приводили числа ближе к 14-16 миллиардам), Вселенная не могла быть такой молодой. Хотя некоторые измерения H_0 были значительно ниже, например, 55 км/с/Мпк, это все же дало Вселенную размером 11 с лишним миллиардов: все еще моложе, чем звезды, которые мы нашли в ней. Более того, по мере того, как в 1970-х, 1980-х годах и далее появлялось все больше и больше измерений, стало ясно, что аномально низкая постоянная Хаббла в 40-х или 50-х годах просто не соответствовала данным.
В то же время мы начали измерять с хорошей точностью, насколько распространены легкие элементы во Вселенной. Нуклеосинтез Большого взрыва - это наука о том, какое относительное количество водорода, гелия-4, гелия-3, дейтерия и лития-7 должно остаться после Большого взрыва. Единственный параметр, который в этих расчетах нельзя вывести из физических констант, - это отношение барионов к фотонам, которое говорит вам о плотности обычной материи во Вселенной. (Это относительно плотности фотонов, но это легко измерить по Космическому Микроволновому Фону.) Хотя в то время была некоторая неопределенность, очень быстро стало ясно, что 100% материи не может быть «нормальной», а максимум около 10%. Не может быть, чтобы законы физики были правильными и дали вам Вселенную со 100% нормальной материей.
К началу 1990-х это начало согласовываться с множеством наблюдений, которые указывали на части этой космической головоломки:
- Самым старым звездам должно быть не менее 13 миллиардов лет,
- Если бы Вселенная состояла на 100% из материи, значение H_0 могло бы быть не больше 50 км/с/Мпк, чтобы получить Вселенную такой старой,
- Галактики и скопления галактик продемонстрировали веские доказательства существования большого количества темной материи,
- Рентгеновские наблюдения скоплений показали, что только 10-20% вещества может быть обычным веществом,
- Крупномасштабная структура Вселенной (корреляции между галактиками в масштабе сотен миллионов световых лет) показала, что вам нужно больше массы, чем может обеспечить обычная материя,
- но подсчет глубинных источников, который зависит от объема Вселенной и того, как он меняется со временем, показал, что 100% материи - это слишком много,
- Гравитационное линзирование начало «взвешивать» эти галактические скопления и обнаружило, что только около 30% критической плотности приходится на общую материю,
- и Нуклеосинтез Большого Взрыва действительно, казалось, благоприятствовал Вселенной, где только ~1/6 плотности материи составляла нормальная материя.
Итак, каково было решение?
Большинство астрономов к этому времени приняли темную материю, но даже Вселенная, состоящая исключительно из темной и нормальной материи, по-прежнему будет проблематичной. Он просто не был достаточно стар для звезд в нем! Два факта конца 1990-х годов, которые сошлись воедино, дали нам путь вперед. Одним из них был космический микроволновый фон, который показал нам, что Вселенная пространственно плоская, и, следовательно, общее количество вещества в ней составило 100%. И все же это не может быть вся материя, даже смесь нормальной и темной материи! Другим доказательством были данные о сверхновых, которые показали, что во Вселенной есть компонент, вызывающий ее ускорение: это должна быть темная энергия. Глядя на множество доказательств даже сегодня, все они указывают на точную картину.
Итак, либо у вас есть все эти независимые линии доказательств, указывающие на одну и ту же картину: общая теория относительности - это наша теория гравитации, а нашей Вселенной 13,8 миллиарда лет, и около 70% темной энергии, ~ 30 % общей материи, из которых около 5 % - нормальная материя, а 25 % - темная материя. Есть фотоны и нейтрино, которые были важны в прошлом, но сегодня они составляют лишь небольшую долю процента. Поскольку появились еще большие доказательства мелкомасштабных флуктуаций космического микроволнового фона, барионных колебаний в крупномасштабной структуре Вселенной, квазаров с большими красными смещениями и гамма-всплесков, эта картина остается неизменной. Все, что мы наблюдаем во всех масштабах, указывает на это.
Не всегда было очевидно, что это будет решением, но это единственное решение работает буквально для всех наблюдений. Когда кто-то выдвигает гипотезу о том, что «темной материи и/или темной энергии не существует», на них ложится ответственность ответить на скрытый вопрос: «Хорошо, тогда что заменяет общую теорию относительности в качестве вашей теории гравитации для объяснения всей Вселенной?»?» Поскольку гравитационно-волновая астрономия еще более убедительно подтвердила величайшую теорию Эйнштейна, отпали даже многие второстепенные альтернативы общей теории относительности. В нынешнем виде не существует никаких теорий, которые бы успешно покончили с темной материей и темной энергией и при этом объяснили бы все, что мы видим. Пока их нет, нет и реальных альтернатив современной картине, заслуживающих серьезного отношения.
Вам может казаться неправильным, что 95% Вселенной будет темными. Может показаться, что это неразумная возможность, когда все, что вам нужно сделать, в принципе, это заменить ваши основные законы новыми. Но пока эти законы не найдены, а даже не доказано, что они могут существовать математически, вам абсолютно необходимо придерживаться описания Вселенной, на которое указывают все свидетельства. Все остальное - просто ненаучный вывод.