Крабоподібна туманність - залишки наднових, що спалахнула в 1054 році.

Комбінована карта (п'ять частотних каналів - 23, 33, 41, 61 і 94 ГГц) анізотропії реліктового випромінювання за даними супутника WMAP. Фотографія з сайту www.map.gsfc.nasagov.

Видиму частину спіральної галактики утворюють зірки і гарячий, що випромінює газ. Їх оточує сферичне хмара темної матерії, яка не видно, а проявляє себе тільки через гравітаційну взаємодію.

Наднова 1998 bu, що спалахнула в М 96 27 травня 1998 року. Фотографія з сайту www.supernovae.net/snimages.

Скупчення галактик Coma (Волосся Вероніки). Майже кожен об'єкт на знімку - галактика. Фотографія O. Lopez-Cruz at al, Instituto Nacional de Astrofisica, Optica y Electronica, Mexico з сайту www.astronet.ru.

Подробиці для допитливих.

<

>

В епіграфі до цієї статті відомий англійський дослідник Мартін Рис говорить про астрономію, але те ж саме і навіть з більшими підставами можна сказати і про один з її бурхливо розвиваються розділів - космології.

Серед інших астрономічних наук космологія стоїть осібно. Історично вона одна з найдавніших наук (наук, а не професій!) - досить згадати "Теогонію" Гесіода (VIII-VII століття до н. Е.). Разом з тим сучасне наукове обгрунтування космологія отримала тільки на початку ХХ століття - з появою загальної теорії відносності (ЗТВ).

Космологія вивчає Всесвіт у цілому і відноситься до групи природних наук. Тому її теоретичні основи повинні мати експериментальне підтвердження. Коль скоро в основі космології лежить ОТО, все експерименти по її перевірці вносять свою лепту і в обгрунтування космології. Однак, маючи своєю основою ОТО, космологія до неї не зводиться і, таким чином, має власну наглядову базу.

Аж до початку 90-х років ХХ століття наглядова база космології розвивалася в традиційних для всієї астрономії рамках. Ставали до ладу все більш великі телескопи, розширювався хвильової діапазон спостережень. Предметом дослідження довгий час залишалися тільки галактики і пов'язані з ними явища - наприклад, квазари. Виявлення статистичних властивостей просторового розподілу галактик (заходи того, наскільки однорідно або не- однорідний вони розподілені у Всесвіті і які ієрархічні структури утворюють) служило єдиним джерелом спостережної інформації про параметри моделі Всесвіту.

Спостереження галактик схожі на пошуки монеток під ліхтарем, причому пошук веде людина короткозорий. Поблизу ліхтаря він легко знайде всі монети - в реаліях Росії 2006 року це й пятірублевікі і копійки (галактики великої і малої світності). Однак у міру того, як відстань від джерела світла збільшується, завдання ускладнюється: добре видно тільки великі монети (яскраві галактики), і якщо необхідно зібрати всю розсипану дрібниця (галактики малої світності), доведеться нахилятися до землі і методично обшарювати велику площу.

Якісно нова ера в розвитку космології почалася в 1992 році з відкриттям космологічної анізотропії реліктового випромінювання (див. "Наука і життя" № 12, 1993 г.). На відміну від давно виміряної дипольної анізотропії, пов'язаної з рухом Землі в космічному просторі, космологічна містить інформацію про багатьох параметрах і процеси у Всесвіті. Цінність даних, одержуваних при дослідженні реліктового випромінювання, підвищується і тому, що вона несе інформацію про дуже ранній стадії розширення Всесвіту, коли ще не існувало ніяких галактик.

Відкриття космологічної анізотропії реліктового випромінювання порушило інформаційну "монополію" галактик. В результаті вдалося ліквідувати багато виродження космологічних параметрів (неминучі при аналізі даних якогось одного типу), значно підвищити точність їх визначення і перейти до безпосередньої перевірки наших уявлень про Всесвіт.

Досягнення останнього десятиліття

Як і будь-яка наука, космологія не стоїть на місці - вона розвивається. Те, що десять років тому було предметом запеклих суперечок і дискусій, сьогодні або стало твердо встановленим фактом, або відкинуто як помилкова гіпотеза.

До числа таких фактів відноситься в першу чергу те, що повна щільність Всесвіту p з високою точністю дорівнює критичного значення Pкр:

,

де Н - постійна Хаббла (~ 70 км. з-1. Мпк -1), G - гравітаційна стала. У традиційних одиницях виміру Pкр 10-26 кг. см-3, а в часто використовуваних енергетичних - Pкр ~ (10-3 еВ) 4.

Класична космологія в тому вигляді, в якому вона існувала за часів Ейнштейна і Фрідмана, допускала будь-які значення щільності Всесвіту - як більше, так і менше критичного значення, і в цьому відношенні воно нічим не виділено. Звичайно, критичним це значення щільності названо не випадково, а тому, що тільки при цьому значенні дорівнюють нулю просторова кривизна Всесвіту і параметр Ω0 виявляється незалежним від часу.

Те, що повна щільність всіх форм матерії близька саме до критичного значення, не стало несподіванкою. Саме цю величину щільності Всесвіту більшість теоретиків розглядало як найбільш ймовірну ще з початку 1980-х років, коли була запропонована нині загальноприйнята концепція космологічної інфляції - моделі дуже швидкого розширення Всесвіту на ранній стадії її еволюції (див. "Наука і життя" №№ 11, 12, 1996 г.). Більш того, успіх інфляційної парадигми виявився настільки великий, що, якби в експерименті було виявлено статистично значуще відміну щільності Всесвіту від критичного значення, це стало б, без сумніву, приголомшуючою і найважливішою космологічної проблемою.

З інфляцією в економіці стикалися все, і мало хто може сказати, що це позитивне явище. З космологічної інфляцією все навпаки - вона успішно вирішила майже всі проблеми класичної космології і істотно знизила актуальність двох-трьох, що залишилися.

Повна щільність Всесвіту, близькість якої до одиниці стала одним з тріумфів інфляції, визначається декількома компонентами різної фізичної природи - баріонами, з яких складається звичайне речовина (відповідне Ωб pб / Pкр 0,04), так званим темною речовиною, котрі виявляють себе опосередковано - через гравітаційну взаємодію з баріонами (Ωтв pтв / Pкр 0,26). І - обескураживающий результат! - основний внесок в щільність Всесвіту вносить так звана космологічна стала (в літературі закріпилося й іншу назву - лямбда-член, Λ-член), щільність якої Ωл Pл / Pкр 0,7, так що Ωб + Ωтв + Ωл = Ω0 = 1. За своїми властивостями вона близька або навіть тотожна постійної Л, введеної Ейнштейном в ліву частину відомого рівняння ОТО, що зв'язує геометрію Всесвіту з заповнює світ речовиною. Космологічна стала за визначенням не залежить від координат і часу і зазвичай трактується як енергія фізичного вакууму.

Те, що звичайна речовина не має практично ніякого впливу на динаміку розширення Всесвіту, давно і твердо встановлений факт. Ще в середині 1970-х років дослідження процесів нуклеосинтеза у Всесвіті - головним чином, процес утворення ядер дейтерію, літію, ізотопів гелію з атомною вагою 3 і 4 - показало, що кількість які виникають ядер залежить від повного числа баріонів. Багаторічні дослідження первинного хімічного складу Всесвіту (в першу чергу це аналіз кількості дейтерію як найбільш чутливого елемента) вказують на невелике значення Ωб. Але і задовго до того, як баріони у Всесвіті були "перераховані", з'ясувалося, що гравитирующей матерії в кілька разів більше, ніж світиться, а точне їх співвідношення залежить від типу об'єкта дослідження (галактики, їх групи, скупчення і т. Д.) . Наприклад, аналіз кривих обертання спіральних галактик показав, що їх вигляд піддається поясненню в рамках загальноприйнятої теорії гравітації тільки в тому випадку, якщо припустити наявність в галактиці двох гравітуючих підсистем - дискової (що спостерігається у вигляді зірок і випромінює газу) і набагато більш об'ємною сферичної. Причому маса, укладена в сферичної компоненті, більша за масу дискової від двох до десяти разів.

Більш того, багато разів робилися дослідження динаміки спірального візерунка галактик незмінно приводили до висновку, що цей узор стабільний саме через наявність навколо галактики сферически розподіленої маси - гало. До аналогічного висновку про существова ванні сферичних гало різного масштабу приходять і при аналізі випромінювання і динаміки більш масивних об'єктів - груп і скупчень галактик. При цьому крім дослідження кривих обертання галактик і температури газу в групах скупчень використовуються методи, засновані на ефекті гравітаційного лінзування світла віддалених галактик скупчення ми ближнього фону (див. "Наука і життя" № 2, 1994 г.). Остаточну крапку у вирішенні цієї проблеми поставили недавні дослідження анізотропії реліктового випромінювання, які визначили космологічні щільність темної матерії з високою точністю.

Таким чином, існування темної матерії, яка взаємодіє з баріонами тільки гравітаційно, твердо встановлений науковий факт. Однак питання її фізичної природи досі залишається відкритим. Не можна сказати, що космологи відчувають дефіцит в претендентах на роль частинки темної матерії: теоретики, які працюють у фізиці високих енергій і елементарних частинок, печуть їх як пиріжки, але експериментально жоден сорт таких частинок до сих пір не був зареєстрований.

Якщо ситуація з часткою прихованої матерії принципово ясна - рано чи пізно вона буде виявлена, а з урахуванням того, скільки сил і коштів вкладається в погоню за результатом, довгоочікуване відкриття може відбутися вже в самому найближчому майбутньому, то з космологічної постійної все йде набагато складніше. Перш за все, неясно, чому Wл, функція, сильно залежить від часу, дорівнює 0,7 саме в сучасну епоху ** .

Друга проблема - це сама фізична природа космологічної сталої: еквівалент на вона тією, яку ввів Ейнштейн, або це щось інше. Найбільш часто обговорюваних "іншим" є так звана квінтесенція - деяка середовище (як правило, моделируемая скалярним полем) з рівнянням стану w (ε = wp, де ε - щільність енергії квінтесенції, p - її тиск). Відзначимо, що у космологічної сталої w = -1, тобто це граничний випадок квінтесенції *** .В даний час спостережні дані не дозволяють зробити однозначний вибір між космологічної сталої та квінтесенцією: -1,2 <w <-0,8 (рівень достовірності 95%). Однак наявна тенденція до скорочення довірчого інтервалу дозволяє припустити, що ми живемо в світі, де таємнича космологічна стала тотожна введеної Ейнштейном (з абсолютно інших міркувань!). Домінування у Всесвіті космологічної сталої радикальним чином відбивається на її еволюції - така Всесвіт розширюється з прискоренням і має більший вік (з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками), ніж Всесвіт, в якій ця постійна дорівнює нулю.

З теоретичної точки зору наявність космологічної сталої поки не має серйозних або, по крайней мере, загальноприйнятих обґрунтувань. Швидше її можна назвати "зайвою" величиною - наші уявлення про Всесвіт не змінилися б кардинальним чином, якби виявилося, що насправді космологічна постійна дорівнює нулю (або так мала, що не може бути визначена при існуючому рівні техніки). Однак космологія, як і всі природні науки, будується на фундаменті спостережних даних, і ці дані свідчать на користь її значної величини.

Спостережні аргументи на користь космологічної сталої

Підсумуємо основні аргументи на користь існування космологічної сталої.

Перший - коротко називають "аргументом по наднових". Взагалі кажучи, замість наднових можна взяти будь-який об'єкт, що задовольняє двом умовам. По-перше, він повинен бути досить яскравим ( "пятирублевой монетою" в термінах введення), щоб його можна було побачити з великої відстані, і, по-друге, його світність не повинна залежати від конкретного представника (всі монети повинні бути однаково чистими) . Якщо об'єкт є такий "стандартної свічкою", не становить труднощів обчислити його яскравість на будь-якій відстані і в рамках будь-якої космологічної моделі. Після цього, зіставивши теоретичні розрахунки з реальними спостереженнями, можна визначити параметри Всесвіту. Багаторічні пошуки такої стандартної свічки привели до того, що в даний час в цій якості використовують Найновіші зірки типу Іа, а аналіз кривих світності виявив значну по величині космологічні постійну.

Наднова (будь-якого типу) не об'єкт, а явище, в даному випадку - явище вибуху зірки-прабатька. Відповідно до сучасних уявлень, цей прабатько - так званий білий карлик з масою, що перевищує порогове значення ~ 1,4 (Маси Сонця), до якого така зірка ще залишається стійкою. Зовнішнім джерелом падаючої маси служить зірка (наприклад, гігант, що заповнив в ході своєї еволюції порожнину Роша) - компаньйон подвійний (або кратної) зоряної системи. Аж до критичного значення маси сили гравітації, що діють в зірці, врівноважуються тиском виродженого електронного газу. При подальшому збільшенні маси електронне тиск виявляється недостатнім і відбувається колапс (і вибух) зірки. Однак цей вибух виглядає простим тільки в короткому викладі: до сих пір фізичні процеси, що протікають в такій зірці, через свою складність залишаються недостатньо вивченими. Більш того, до цих пір не існує послідовної теорії вибуху білого карлика.

Те, що прабатьки наднових типу Іа належать до одного класу зірок і знаходяться у вузькому діапазоні мас, само по собі не є обґрунтуванням того, що наднові можуть служити стандартними свічками. Перш за все, то, як спалах наднових спостерігається на Землі, залежить від властивостей міжзоряного середовища, через яку поширюється випромінювання. Якщо середовище містить багато пилу, світло, що виходить від наднових, зазнає значного поглинання, що в кінцевому рахунку може внести значну помилку в величини і / або точність визначених таким методом космологічних параметрів.

Інша внутрішня проблема тесту по наднових - різний хімічний склад близьких і віддалених наднових. Справді, відмінність між кривими, що описують зв'язок між видимою зоряною величиною і червоним зміщенням в різних космологічних моделях, збільшується з ростом червоного зсуву, на якому ми спостерігаємо Наднові. Наявність систематичного ефекту, що залежить від червоного зсуву, може стати серйозною перешкодою на шляху відновлення космологічної моделі.

Наступний аргумент на користь значною космологічної постійної - це спостережувана при різних величинах червоного зсуву еволюція числа скупчень галактик. З одного боку, її визначає темп зростання амплітуди збурень густини речовини (яка, в свою чергу, залежить від космологічної моделі), а з іншого - загальне число скупчень нормується на сучасну епоху. Тому, незважаючи на те, що зростання збурень у Всесвіті з великою космологи чеський постійної сильно пригнічений, число скупчень галактик в минулому буде вищою, ніж у Всесвіті, де космологічна постійна дорівнює нулю **** .

Третій аргумент - це спостережуваний ефект Сакса-Вольфа, Який встановлює зв'язок между кутовий анізотропією реліктового випромінювання и збуреннямі гравітаційного потенціалу на шляху Поширення реліктового фотона від моменту випромінювання до моменту его прийому. Традіційно цею ефект опісують як сукупність кількох доданків, Одне з якіх - Інтегральний ефект Сакса-Вольфа - віклікано Зсув частоти кванта під Вплив змінного гравітаційного поля формується велікомасштабної Структури Всесвіту. Еволюція гравітаційного потенціалу на лінійній стадії Утворення первинного скупчень и сверхскоплений галактик істотно Залежить від наявності (і, Звичайно, величина) космологи чеський постійною. Если у Всесвіті домінує Речовини, гравітаційній Потенціал НЕ Залежить від часу. У цьом випадка Інтегральний ефект Сакса-Вольфа дорівнює нулю - реліктовій квант НЕ відчуває додатковий зміщення частоти при проходженні гравітаційніх "ям" і "хребтів" прилеглої Структури Всесвіту. У зворотному випадку, якщо космологічна стала досить велика і впливає на темп розширення сьогоднішньої Всесвіту, поле збурень гравітаційного потенціалу на шляху поширення фотона встигає змінитися (зменшитися) за час його проходження, що і відповідально за появу ефекту. Таким чином, інтегральний ефект Сакса-Вольфа у Всесвіті з великою космологічної сталої призводить до появи додаткової анізотропії реліктового випромінювання, антікоррелірующей з великомасштабним розподілом галактик навколо нас (квант відчуває червоне / синє зміщення в напрямках концентрацій / деконцентрації галактик), що і виявляється при аналізі даних спостережень.

І, нарешті, четвертий (і головний!) Аргумент на користь космологічної постійної - структурний.

Основними джерелами наших знань про структуру Всесвіту служать, по-перше, просторовий розподіл матерії, що світиться (галактик, їх груп, скупчень і т. Д.) І, по-друге, анізотропія реліктового випромінювання. Обидва цих "джерела" чутливі до кількості речовини у Всесвіті, але характер цієї залежності кілька різний, що й дозволяє відновлювати величину щільності матерії (а значить, і величину космологи чеський постійної) з високою точністю. Так, характерним масштабом, "Вдрукувати" в просторовий розподіл матерії навколо нас, виявляється масштаб, що співпадає з космологічним горизонтом на ранній стадії розширення Всесвіту, коли щільність енергії випромінювання зрівнялася з щільністю матерії. В той момент часу (близько 13 млрд років тому) епоха домінування випромінювання змінювалася епохою домінування матерії, а це призводило до зміни темпу розширення Всесвіту і до зміни швидкості росту збурень. В спектрі потужності збурень густини це виразилося в появі характерного "горба". Лінійний масштаб, на якому цей горб видно в розподілі галактик, визначається величиною Г = Ωм h 0,2, де Ωм - щільність матерії у Всесвіті (включаючи темна речовина і баріони), а h - безрозмірна постійна Хаббла, виражена в одиницях 100 км. с-1. Мпк -1 (в цих одиницях величина H = 0,7 h). Вимірювання анізотропії реліктового випромінювання дозволяє визначити іншу комбінацію тих же космологічних параметрів: ωм = Ωм h 2 0,13. Виключаючи постійну Хаббла, легко обчислити величину щільності речовини у Всесвіті: Ωм = Г2 / ωм = 0,3, яка виявляється менше одиниці з високим ступенем достовірності (спостережні дані про просторовий розподіл речовини - найточніші в сучасній космології!). А оскільки дані про мелкомасштабной анізотропії реліктового випромінювання (місце розташування так званих Сахаровскіх піків) дозволяють однозначно стверджувати, що сумарна щільність всіх форм матерії у Всесвіті дорівнює одиниці (про це ми вже згадували на початку статті), ми приходимо до висновку: існує компонента матерії, яка не приймає участі в гравітаційному скучіваніе. Такий компонентою може бути тільки космологічна стала.

Висновок

Отже, ми живемо в світі, динамікою розширення якого управляє невідома нам форма матерії. Єдино е, що ми достовірно знаємо про неї - це факт її існування і рівняння її стану вакуумоподобной типу. Нам невідомо, чи змінюється рівняння стану темної енергії з часом і якщо змінюється, то як. Це означає, що всі міркування про майбутнє Всесвіту по суті спекулятивні (тобто умоглядні) і засновані на естетичних поглядах їхніх авторів.

У космології є й інші завдання, що вимагають дозволу. Перш за все, це питання про природу темної речовини, що входить до складу всіх гравітаційно-пов'язаних систем у Всесвіті, хоча, на відміну від космологічної сталої, про темній речовині ми знаємо набагато більше, і відповідь, без сумніву, незабаром буде отриманий. На порядку денному в космології стоять і інші цікаві загадки, які потребують вирішення: походження перших галактик і квазарів, проблеми початку і утворення Всесвіту, ієрархії частинок і взаємодій і інші. Обсяг наших знань про Всесвіт зростає швидкими темпами, але чим більше ми дізнаємося про навколишній світ, тим більше виникає нових питань. Це нормальний шлях розвитку науки, особливо найбільш швидко розвивається її області - космології.

Подробиці для допитливих

Квазар - квазізвездние (Звездоподобние) об'єкт. Вперше квазари були відкриті в 1967 році. Довгий час їх спектри не вдавалося ідентифікувати ні з яким типом об'єктів, поки нарешті не виявилося, що квазари - це активні ядра галактик, що віддаляються від нас з величезними швидкостями, так що їх спектри відчувають значне червоне зміщення космологічної природи. Оскільки квазари - дуже яскраві об'єкти, їх видно з дуже великих відстаней, порівнянних з розміром Всесвіту. Це дозволяє використовувати їх просторовий розподіл для відновлення розподілу матерії у Всесвіті і її временнoй еволюції.

Ядерна фізика (від грецького Барос - тяжкість) - група "важких" елементарних частинок з масою менше маси протона і напівцілим спіном. До баріонів відносяться протони і нейтрони, а також ряд нестабільних частинок (гіперони, баріонів резонанси, що мають час життя порядку 10-23 секунди). Нейтрон стабільний тільки в складі стійких атомних ядер; у вільному стані він розпадається на протон, електрон і електронне антинейтрино в середньому за 16 хвилин.

Реліктове випромінювання - електромагнітне випромінювання, "залишився" від епохи домінування випромінювання у Всесвіті. Спектр реліктового випромінювання надзвичайно близький до спектру абсолютно чорного тіла з температурою 2,7 Кельвіна. Кількість квантів цього випромінювання величезна - 109 на баріон, однак космологічна щільність укладеної в них енергії дуже мала і становить близько 10-5 від повної щільності всіх видів матерії.

Порожнина Роша - максимально можливий обсяг зірки в подвійній системі (позначений червоною лінією). Поблизу кожної зірки переважає сила тяжіння, а між зірками є точка, де вони врівноважені. Зірки звертаються одна щодо іншої, тому на великій відстані від осі переважає відцентрова сила, яка прагне викинути речовина в простір. Коли зірка, розширюючись, виходить за межі порожнини Роша, частина її оболонки під дією цієї сили переходить до іншої зірки.

Коментарі до статті

* Рис М. Наша космічна обитель. - М.-Іжевськ: Ін-т комп'ютерних дослідні., 2002. - (Пер. З англ.)

** Космологічна стала починає динамічно проявлятися при червоному зміщенні z ~ 0,5, і з часом її вплив тільки зростає. Нагадаємо, що перші галактики з'являються при z ~ 10, а така важлива епоха, як рекомбінації водню, відноситься до z ~ 1100.

*** Зауважимо, що при w -1 ω і р залежать від часу і просторової координати.

**** У світі з кінцевою швидкістю світла в принципі можна заглянути в минуле Всесвіту: спостерігаючи віддалені об'єкти, ми бачимо їх такими, якими вони були в момент випускання приходить до нас кванта світла, а оскільки відстані до космологічних об'єктів величезні, то і "можливість" заглянути в минуле відповідна.