Борис Штерн - Прорыв за край мира

Мы видим, что разные модели Вселенной согласуются с данными по-разному. Эффект вроде бы небольшой. Точки для далеких сверхновых отклоняются вверх от нулевой гипотезы в среднем всего лишь на величину стандартной ошибки. Но поскольку точек много, и все отклоняются вверх, факт отклонения оказывается статистически значимым. Отклонение вверх в данных координатах означает меньшую яркость (примерно на 20-30%). Значит, сверхновые дальше, чем предсказывает «нулевая модель». Значит, расширение происходило дольше и немного по другому закону. Чтобы свести концы с концами, требуется расширение с ускорением. Чтобы расширение шло с ускорением, у Вселенной должно быть уравнение состояния с отрицательным давлением, как это изложено в главе 13: р < -1/3 ε . Значит, содержимое Вселенной не ограничивается обычной и темной материей, значит, в ней также есть совсем другая субстанция. Ее назвали «темной энергией». Вклад в темной энергии состав Вселенной обозначается как Ω Λ — по ассоциации с лямбда-членом Эйнштейна.

Очень скоро вышла статья Перлмуттера с соавторами, где число далеких сверхновых на диаграмме Хаббла было уже около 30, и они свидетельствовали об ускоренном расширении Вселенной уверенней. Но часть космологической общественности медлила с признанием этого факта. Например, списывали наблюдаемое отклонение на эволюционный эффект, дескать, раньше химический состав белых карликов был другим. Но сомнения оставались недолго.

В том же 1998 году (и еще несколько раз позднее) в Антарктиде проводился эксперимент BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics). Аэростат с микроволновым телескопом запускали на волю циркулярных ветров «Полярной воронки», и за две недели он подобно бумерангу (в чем был второй смысл аббревиатуры) описывал круг на высоте около 40 км. Наблюдалась лишь небольшая часть неба, зато с хорошим угловым разрешением. Результат оказался поразительным. На угловом спектре неоднородностей реликтового излучения проявился четкий пик под названием «акустический». О том, что это такое, подробно рассказано в главах 30 и 31. Вскоре открытие было подтверждено экспериментом MAXIMA с еще меньшим охватом неба, но с еще большим угловым разрешением.

23.2 BOOMERanG перед запуском. На заднем плане — вулкан Эребус («Википедия»)

Положение акустического пика четко свидетельствовало: наша Вселенная трехмерно-плоская, или, иными словами, евклидова, Это значит, что сумма плотностей энергии всех субстанций во Вселенной точно равна критической. В то же время измерения масс скоплений галактик по разбросу скоростей уверенно давали значения средней плотности Вселенной заметно меньше критической — не более 30%. Этот предел включал всю материю, подверженную гравитационной неустойчивости, — обычную и темную. И если мы видим, что плотность энергии обычной материи вместе с темной не выше 0,3 критической, значит, по меньшей мере еще недостающие 0,7 содержатся в совсем другой субстанции, давление которой должно быть отрицательным, иначе вообще концы с концами не сходятся. Потом последовали новые подтверждения из изучения крупномасштабной структуры Вселенной а также из данных новых космических микроволновых телескопов. Сейчас ускоренное расширение Вселенной — столь же твердо установленный факт, как и то, что Земля имеет форму эллипсоида.

Что из себя может представлять темная энергия, составляющая около 70% содержимого Вселенной? Первый возможный ответ: это вакуум с ненулевой плотностью энергии. Почему она могла оказаться ненулевой? Во-первых, потому, что, как уже обсуждалось выше, вообще непонятно, почему энергия вакуума близка к нулю — она может быть любой из-за огромных нулевых колебаний полей, дающих вклад разного знака. Во-вторых, пространство может быть заполнено неким скалярным полем, находящимся в стационарном состоянии — в минимуме потенциала, который, тем не менее, отличен от нуля. Эти два варианта различаются лишь терминологически. В обоих случаях имеем уравнение состояния р = -ε и определенный прогноз: Вселенная всегда будет расширяться экспоненциально, если только вдруг вакуум не окажется метастабильным и не «перепрыгнет» в более низкое состояние. Тогда случится катастрофа. В обоих случаях, перефразируя выражение Андрея Линде, мы имеем дело с «легким ничто» плотностью 10 -29г/см 3.

Второй вариант: темная энергия — это скалярное поле, находящееся не в минимуме, а «на склоне» своего потенциала. Тогда оно постепенно меняется, находясь в режиме медленного скатывания. В этом случае давление находится где-то в интервале между -1/3 ε и - ε . Такой вариант темной энергии называется «квинтэссенция». Это уже «легкое нечто»: у квинтэссеции есть выделенная система отсчета и определенная динамика. В принципе, параметр со в уравнении состояния темной энергии ( p = -ωε ) поддается измерению — квинтэссенцию можно отличить от вакуума. Это дело обозримого будущего.