Научный взгляд на устройство вселенной

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 451
Вскоре после этого Ян Оорт обнаружил аналогичное явление 
и в Млечном Пути. Цвикки на основании собственных данных 
сделал вывод о существовании темной материи, которую никто 
не может непосредственно увидеть. Однако ни одно из этих на-
блюдений не было абсолютно убедительным. Казалось, что куда 
проще объяснить данные ошибкой наблюдения или пока неиз-
вестной особенностью галактической динамики, чем придумы-
вать исключительно для этого какую-то невидимую субстанцию.
В то время, когда Цвикки проводил свои измерения, у его аппа-
ратуры не хватало разрешения, и он не мог различать отдельные 
звезды. Гораздо более убедительные доказательства существо-
вания скрытой массы были получены Верой Рубин — астроно-
мом-наблюдателем, которая много позже, в конце 1960-х — на-
чале 1970-х гг. провела детальные количественные измерения 
движения звезд в далеких галактиках. То, что поначалу казалось 
«скучным» исследованием — наблюдения за движением звезд в га-
лактиках (Вера обратилась к этой теме только потому, что этим 
в то время почти никто из астрономов не занимался), — оказалось 
первым серьезным свидетельством существования во Вселенной 
скрытой массы. Наблюдения Рубин и Кента Форда дали неопро-
вержимые доказательства того, что Цвикки в давние времена при-
шел к корректному выводу.
Вам может показаться странным, что человек, посмотрев 
в телескоп, может увидеть нечто «темное» или «скрытое». Дело 
в том, что астрономы «видят» не скрытую массу, а ее гравитаци-
онное действие на другие объекты. Свойства любой галактики, 
в частности скорости движения звезд в ней вокруг общего центра, 
зависят от ее суммарной массы. Если бы во Вселенной не было 
ничего, кроме видимого вещества, то звезды на дальних пределах 
галактики и даже далеко за ее пределами должны были бы чув-
ствовать ее гравитационное воздействие в намного меньшей сте-
пени. На самом же деле оказалось, что звезды, отстоящие от цен-
тра галактики вдесятеро дальше, чем видимый размер светящейся 
центральной части, обращаются вокруг центра галактики с той же 
скоростью, что и близкие к центру. А это означает, что плотность 
массы в галактике практически не уменьшается по мере удаления 

452 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
от центра — по крайней мере до расстояний вдесятеро больших, 
чем размер светящейся части.
Астрономы делают вывод о том, что галактики состоят пре-
имущественно из невидимой — «темной» — материи. Светящееся 
вещество, которое мы наблюдаем, составляет немалую их часть, 
но б
о
льшая часть галактики невидима, по крайней мере в обыч-
ном смысле этого слова.
Сегодня у нас имеется немало и других косвенных доказа-
тельств существования скрытой массы. Пожалуй, самые непосред-
ственные из них основаны на явлении линзирования (рис. 75). 
Линзирование — явление, возникающее при прохождении света 
мимо массивного объекта. Даже если сам этот объект не излучает 
света, то гравитационное воздействие он оказывает. Его гравита-
ция может искривить траекторию прохождения света, излучен-
ного обычным, нетемным объектом, расположенным позади него 
(с нашей точки зрения). Поскольку свет искривляется в разные 
стороны в зависимости от того, с какой стороны от объекта он 
проходит, и поскольку мы автоматически считаем траекторию 
света прямолинейной, линзирование может породить на небе 
множественные изображения одного и того же яркого объекта. 
Эти множественные изображения, в свою очередь, позволяют нам 
«увидеть» темный объект или по крайней мере сделать выводы 
о его существовании и свойствах, вычислив силу тяготения, не-
обходимую для такого изгибания наблюдаемого света.
Изображение
Изображение
Объект
Галактика, действующая 
как гравитационная линза
Кажущийся путь
Истинный путь
Отклоненный свет
Отклоненный свет
Истинный путь
Кажущийся путь
РИС
. 75.
Свет, проходя мимо массивного объекта, может отклонять-
ся от прямого пути, что с точки зрения наблюдателя создает на небе 
множественные изображения его источника

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 453
Возможно, самое сильное доказательство того, что все эти явления 
объясняются скрытой массой, а не, скажем, модифицированной тео-
рией гравитации, можно видеть в так называемом кластере «Пуля», 
который представляет собой результат столкновения двух скоплений 
галактик (рис. 76). По ходу столкновения видно, что скопления со-
держат звезды, газ и скрытую массу (темная материя). Горячий газ 
в скоплениях взаимодействует настолько активно, что остатки газа 
сконцентрировались в центральной зоне столкновения. Темная мате-
рия, с другой стороны, не взаимодействует или по крайней мере вза-
имодействует слабо. Измерения эффектов линзирования показали, 
что темная материя действительно отделилось от горячего газа в соот-
ветствии с моделью, в которой существует слабо взаимодействующая 
темная материя и активно взаимодействующая обычная материя.
РИС
. 76.
Кластер «Пуля» (внешне действительно напоминающий ле-
тящую пулю) свидетельствует о том, что скопления галактик содер-
жат темную материю и что их динамику вряд ли удастся объяснить 
при помощи модифицированной теории гравитации. Дело в том, 
что здесь мы видим разделение между активно взаимодействующим 
обычным веществом, которое при столкновении двух скоплений со-
бирается в центре, и слабо взаимодействующим темным веществом, 
которое можно «увидеть» по гравитационному линзированию и ко-
торое, очевидно, просто проходит чужое скопление насквозь

454 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
Еще одно свидетельство существования скрытой массы ис-
ходит от реликтового излучения, о котором мы уже говорили. 
В отличие от линзирования, измерения этого излучения ничего 
не говорят нам о распределении скрытой массы. Зато реликтовое 
излучение сообщает нам суммарное энергетическое содержание 
скрытой массы: какую именно часть космического «пирога» она 
составляет по энергетическому показателю.
Измерения реликтового излучения много сообщают нам о ран-
ней Вселенной и снабжают подробной информацией о ее свой-
ствах. Эти исследования говорят в пользу существования не толь-
ко скрытой массы, но и темной энергии. Согласно уравнениям 
общей теории относительности Эйнштейна Вселенная может быть 
«плоской» только в том случае, если она обладает нужным коли-
чеством энергии. Материи, даже с учетом всей скрытой массы, 
просто не хватит, чтобы объяснить ничтожную степень кривизны, 
измеренную WMAP и приборами на аэростатах. Должна существо-
вать еще какая-то энергия. Темная энергия — единственный спо-
соб объяснить «плоскую» Вселенную без доступной измерениям 
кривизны трехмерного пространства и согласовать теорию с име-
ющимися на сегодняшний день экспериментальными данными.
Темная энергия, на которую приходится основная часть — при-
близительно 70% — всей существующей во Вселенной энергии, 
ставит перед учеными еще больше проблем, чем скрытая масса. 
Доказательством, убедившим физическое сообщество в существо-
вании такой энергии, стало открытие того факта, что расшире-
ние Вселенной в настоящее время ускоряется — примерно так же, 
как это происходило в начале времен, в инфляционный период, 
но гораздо медленнее. В конце 1990-х гг. две независимые команды 
ученых, работавшие на космическом телескопе «Хаббл» над про-
ектами по космологии сверхновых звезд (Supernova Cosmology 
Project) и по сверхновым звездам с большими красными смеще-
ниями (High-z Supernova Team), удивили ученый мир открытием: 
скорость расширения Вселенной более не уменьшается, а наобо-
рот, увеличивается.
До измерений сверхновых было получено несколько намеков 
на существование загадочной недостающей энергии, но доказа-

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 455
тельства были слишком слабыми. Однако в 1990-е гг. тщательные 
измерения показали, что отдаленные сверхновые звезды светят 
более тускло, чем ожидалось. Конкретный тип сверхновых отлича-
ется достаточно одинаковой и, главное, предсказуемой интенсив-
ностью излучения, поэтому объяснить необычный фактор можно 
было только чем-то новым. И этим новым стало, судя по всему, 
ускоренное расширение Вселенной, то есть сейчас считается, 
что Вселенная расширяется со все большей скоростью.
Ускорение, о котором идет речь, не могло возникнуть 
из-за обычного вещества, гравитационное притяжение которо-
го, наоборот, должно было бы замедлять расширение Вселенной. 
Единственным объяснением может быть Вселенная, расширяюща-
яся инфляционно, но с гораздо меньшей энергией, чем во время 
уже пережитой когда-то фазы космологической инфляции. При-
чиной ускорения может быть только какая-то сущность, играющая 
роль введенной Эйнштейном космологической константы, или, 
как ее назвали теперь, темная энергия.
В отличие от вещества, темная энергия оказывает на окружа-
ющее отрицательное давление. Обычное положительное давление 
побуждает вещество сжиматься, тогда как отрицательное давле-
ние вызывает все более быстрое расширение. Самый очевидный 
кандидат на роль источника отрицательного давления — космоло-
гическая постоянная Эйнштейна, представляющая энергию и дав-
ление, которые пронизывают Вселенную, но не связаны с веще-
ством. Темная энергия — это более общий термин, которым мы 
в настоящее время пользуемся; тем самым мы допускаем, что со-
отношение между энергией и давлением, выраженное космологи-
ческой константой, является не точным, а лишь приближенным.
Сегодня считается, что темная энергия — основной компонент 
энергии Вселенной. Это тем более замечательно, что плотность 
темной энергии, оказывается, чрезвычайно мала. Темная энергия 
доминирует во Вселенной на протяжении лишь нескольких послед-
них миллиардов лет. До этого в эволюции Вселенной главную роль 
играли сначала излучение, затем вещество. Но плотность излуче-
ния и вещества снижается по мере их распределения по объему все 
расширяющейся Вселенной. С другой стороны, плотность темной 

456 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
энергии остается постоянной, несмотря на расширение. За то вре-
мя, пока Вселенная достигла своего нынешнего возраста, плот-
ность энергии в виде излучения и материи уменьшилась настолько, 
что на передний план вышла темная энергия, которая не «растека-
ется» по растущему объему и не снижает своей плотности. Несмо-
тря на невероятно низкую плотность темной энергии, когда-нибудь 
она обязательно должна была перехватить лидерство. И вот после 
10 млрд лет все более медленного расширения Вселенная наконец 
почувствовала влияние темной энергии и начала увеличивать ско-
рость расширения. Со временем во Вселенной не останется ничего, 
кроме энергии вакуума, а ее расширение достигнет соответствую-
щей скорости (рис. 77). Возможно, эта «кроткая» энергия и не будет 
определять развитие Земли, но Вселенную она, скорее всего, дей-
ствительно получит в свое распоряжение.
Масштаб (м)
Время (сек)
10
-40
10
-30
10
-20
10
-10
1
10
20
10
10
10
27
10
-33
Первоначальное 
инфляционное 
расширение
Стандартное 
расширение 
Большого взрыва
Ускорение 
расширения 
в будущем

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: