Темная история с темной энергией

Достаточно ввести в общую теорию относительности Эйнштейна ключевой элемент – гравитационную рябь на ранних стадиях, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной.
Почтовая открытка 2004 г.

Полтора года назад в беседе с главным научным сотрудником отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН академиком Валерием Рубаковым я посетовал, что в последнее время из космологических построений пропадает вся экзотика. «Единственная экзотика, которая есть, – это так называемая темная энергия, – последовал ответ академика. – Это головная боль для теоретиков и экспериментаторов».

Действительно, во Вселенной суммарная плотность всех типов нейтрино – около 350 частиц в одном кубическом сантиметре┘ Плотность нейтрино заметно меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, оставшиеся 90% вещества во Вселенной не нейтрино. Что же это такое? Плотность других известных частиц – протонов и нейтронов – во Вселенной тоже небольшая – меньше 5%.

«Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы, – заключил Анатолий Рубаков. – Похоже, что есть обычные частицы, известные и не известные еще нам, и есть заметная часть, примерно 70%, энергии в совершенно другой форме. В форме, если можно так сказать, вакуумоподобной: однородная и разлитая по всей Вселенной энергия. Если бы вакуум имел небольшую, но конечную плотность энергии, то как раз она бы подходила для того, чтобы описать динамику Вселенной┘ Похоже, что в последние две трети жизни Вселенной в ней доминирует вот такая вакуумоподобная энергия».

Принципиально важно, что это «вакуумоподобное» нечто обладает... отрицательным давлением. Представить себе это можно так: темная энергия как бы «расталкивает» галактики во Вселенной, то есть ускоряет разлет Вселенной. И этот факт экспериментально подтверждается многочисленными астрономическими наблюдениями.

Однако в совсем свежей работе интернационального коллектива физиков из США, Канады и Италии, направленной в журнал Physical Review Letters, предлагается оригинальное решение загадки «темной энергии», снимающее вроде бы необходимость в гипотезе о таинственных свойствах материи вообще. (Руководитель группы – Эдвард Колб из Национальной лаборатории ускорителей элементарных частиц в Батавии, штат Иллинойс, США.) Как сообщает английский журнал New Scientist, новая теория позволяет объяснить феномен ускоренного расширения Вселенной без привлечения гипотезы о наличии таинственной «темной энергии». А наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной не что иное, как гигантские волны пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной.

«Мы не вводим никаких новых сущностей во Вселенную и предлагаем объяснение в рамках одного из вариантов стандартной теории Большого Взрыва – а именно инфляционной (раздувающейся) модели Вселенной, предложенной еще в 1981 году, – подчеркивает один из авторов статьи Антонио Риотто из итальянского Национального института ядерной физики. – Мы поняли, что достаточно ввести в общую теорию относительности Эйнштейна этот ключевой элемент – гравитационную рябь на ранних стадиях, чтобы объяснить наблюдаемое ускорение расширения Вселенной. И нет никакой необходимости изобретать таинственные фантомы типа «темной энергии».

Другими словами, пространственно-временная рябь, образовавшаяся на инфляционной стадии, со временем превращается в гигантские гравитационные волны, пронизывающие Вселенную.

«Гипотеза, предложенная в статье Эдварда Колба с коллегами, призвана радикально изменить интерпретацию достаточно надежно наблюдаемого ускоренного расширения видимой части Вселенной, – поясняет доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Отдела теоретической физики Института физики высоких энергий Валерий Киселев. – Физическая идея этой теоретической работы элегантна: в результате инфляционного раздувания после Большого взрыва на ранней стадии развития образовалась гигантская супермегавселенная, в которой видимая нами Вселенная составляет лишь крошечную область;

при этом, как заметили авторы, наша Вселенная не обязательно должна покоиться в этой супермегавселенной, а может двигаться в ней с некоторой скоростью, причем скорость движения может зависеть от времени в космологическом понимании масштабов эволюции. Именно эта зависимость относительной скорости движения видимой нами Вселенной от времени, которая в общей теории относительности Эйнштейна трактуется как эффект распространения гравитационных волн с гигантским периодом колебаний, может наблюдаться как эффект ускоренного расширения нашей Вселенной».

Отсюда – еще одно интересное следствие. По словам Валерия Киселева, инфляционное расширение можно характеризовать как короткий период, во время которого физическая скорость света, то есть максимальная скорость причинно-следственного влияния одних событий на другие, сама увеличивалась гигантскими темпами. «Так что видимая нами сейчас скорость распространения света существенно меньше, следовательно, и видимая часть супермегавселенной очень мала», – поясняет Киселев.

По-видимому, такая интерпретация наблюдаемых космологических эффектов может подлить очередную порцию масла в огонь споров о том, насколько постоянны так называемые фундаментальные физические постоянные – скорость света, в частности. Но, как бы там ни было, уже сейчас появились как сторонники, так и противники этой гипотезы.

«Сегодня мало написать модель или гипотезу, – заметил в ответ на мою просьбу прокомментировать американо-канадо-итальянскую гипотезу академик Рубаков. – Если вы создаете новую теорию – опишите механизм образования галактических кластеров, образование структур во Вселенной. А кроме того, эта теория должна быть непротиворечива, что само по себе нетривиально┘ Пока моделей такого сорта – вместо моделей с темной материей – я не знаю. Есть попытки, более или менее интересные, но говорить, что такая альтернатива существует – нет, этого сказать сейчас нельзя».

Тут надо отметить, что образование гравитационных волн в инфляционной Вселенной первым просчитал советский физик Алексей Старобинский. Потом, в 1982 году, тот же Валерий Рубаков совместно с Михаилом Сажиным и с Алексеем Веряскиным сделали работу, в которой предлагался механизм проявления гравитационных волн в анизотропии реликтового излучения.

«Если работает инфляционная модель Вселенной, то ее характерный признак – гравитационные волны, образовавшиеся во время раздувания (инфляции) Вселенной, – поясняет академик Рубаков. – Это гравитационные волны самых разных длин волн, в том числе и очень больших. Про гравитационные волны мы сегодня не знаем ничего. Но теория предсказывает, что они должны оставлять след в реликтовом излучении, в его анизотропии и в его поляризации. Таким образом, измеряя поляризацию реликтового излучения, можно получить сведения о том, были ли в ранней Вселенной гигантского размера гравитационные волны».

Вот вам и принципиальная схема физического эксперимента по проверке такой головокружительно сложной, казалось бы, космологической гипотезы!

– Может быть, гравитационные волны имеют такой масштаб, что мы находимся как бы внутри их и не можем, естественно, ничего сказать об этом объекте? – поинтересовался я у Валерия Рубакова.

– Мы, конечно, внутри волны, – подчеркивает Рубаков. – Но наиболее интересные размеры гравитационных волн начиная от 300 мегапарсек. Большой, конечно, размер, но на космологических масштабах вполне измеримый. Если нам удастся найти в реликтовом излучении следы гравитационных волн, то это будет означать, что подтверждается инфляционная модель Вселенной: экспоненциальное разбегание Вселенной. За время около 10-30 секунды Вселенная раздулась до наших сегодняшних размеров, а потом уже потихоньку стала расширяться в соответствии со стандартной горячей моделью┘ Это трудные эксперименты, но это все уже в обозримом будущем.

═