Что такое тёмная энергия

В данной статье будет показано, как возникла гипотеза о тёмной энергии, и почему эта гипотеза возникла именно на рубеже 20-21 столетий.

Чтобы это понять, нужно вспомнить, как появилась гипотеза Большого взрыва. Условия для появления самых невероятных гипотез начали формироваться на рубеже 19-20 столетий. В это время физика переживает ряд мировоззренческих катастроф (ультрафиолетовая катастрофа – согласно существовавшей тогда теории излучения наша Вселенная должна была мгновенно остыть, однако не остывала, дефект массы – при радиоактивном распаде и другие, необъяснимые с позиций классической физики явления). Вследствие этого физики были дезориентированы и пребывали в состоянии растерянности. Окончательную сумятицу в головы учёных внесла опубликованная в 1905 г специальная теория относительности Эйнштейна (СТО). В дополнение к известным преобразованиям Лоренца Эйнштейн добавил постулат о невозможности выделить единственную покоящуюся систему отсчёта, зафиксировал скорость света и в явном виде постулировал пустоту пространства. Пагубность введения общего принципа относительности состояла в том, что в физике была ликвидирована обязательность причинно-следственной связи между явлениями. После этого стало допустимым предполагать в природе всё что угодно. Ирония судьбы заключается в том, что формулы СТО (т.е. формулы преобразований Лоренца) действительно верны, ложной была лишь их физическая интерпретация в СТО. Об истинном физическом смысле преобразований Лоренца можно прочесть в работе Н. Носкова «Явление запаздывания потенциала» (http://n-t.ru/tp/ng/yzp.htm).

Поскольку в природе стало допустимым всё что угодно, то введению общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) почти никто из физиков уже не сопротивлялся. Одно из решений уравне­ний ОТО, найденное А.Фридманом, было нестационарным, означающим расширение Вселенной. Это решение тоже уже было воспринято как возможное явление. Соответственно, сформулированный Хабблом в 1929г закон о зависимости расстояния до галактики от её красного смещения немедленно был истолкован как свидетельство разлёта галактик. Далее следовала простая логика – если что-то разлетается, то должна быть точка, с которой начался разлёт. Так возникла теория Большого Взрыва «чего-то» в точке нулевой размерности. Что означает это взорвавшееся «что-то», разумеется, до сих пор непонятно. Дальнейшее развитие физики Космоса пошло по принципу «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью». Сейчас в ходу многомерность пространства, множественные миры, кротовые норы, разнообразные спекулятивные теории и т. д. Не последнее место в параде фантастических идей занимает тёмная энергия.

Тёмная энергия в стандартную модель была введена в 1998 году. Введение этой гипотетической сущности потребовалось для объяснения расширения Вселенной с переменной скоростью. В конце 1990-х годов на основании проведённых наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Исходя из этого было постулировано существование неизвестного вида «тёмной энергии», которая и вызывает ускорение расширения Вселенной.

В моих предыдущих работах уже не раз высказывалось утверждение, что красное смещение галактик и квазаров определяется не разлётом галактик или расширением пространства, а сочетанием двух факторов – аккрецией межгалактического газа на ядро галактики и фоном ночного неба, скрывающим от наблюдений периферийные части галактик (http://astrogalaxy.ru/857.html). В работе «Сила, о которой никто ничего не знает» (http://astrogalaxy.ru/858.html) было проведено предварительное обсуждение природы «тёмной энергии» с позиций аккреционно-фонового объяснения красного смещения. В данной работе я постараюсь объяснить, почему ускоренное расширение Вселенной было замечено только в 1990 г.

Красное смещение z излучения содержит доплеровскую и гравитационную компоненты. Доплеровская компонента z_D определяется скоростью удаления излучающего газа от наблюдателя. Гравитационное смещение z_Gпроисходит за счет изменения энергии излучённого фотона, обусловленной работой сил гравитации при движении от точки излучения к фотопластинке (более подробно об этом можно посмотреть здесь http://astrogalaxy.ru/886.html). Полное красное смещение z вычисляется по формуле
z = z_D+ z_G, либо по формуле z = z_D+ z_G + z_D* z_G в зависимости от того, учитывалось ли движение излучающего атома при вычислении z_G (http://red-shift.info/_private/a_22.htm) .

Для галактик малых масс и диаметров гравитационная компонента z_Gуже на небольших расстояниях rстановится сравнимой с доплеровской компонентой z_D и затем с увеличением расстояния растёт быстро и нелинейно. По этой причине полное красное смещение zтаких галактик получается большим. Расстояние до таких галактик, найденное по закону Хаббла, оказывается завышенным на 1-2 порядка. Вследствие этого мощность излучения малых галактик завышается на 2-4 порядка. Из-за этого создаётся впечатление, что наблюдаются некие монстры, не поддающиеся объяснению. Светимость малых галактик (т.е. полная мощность их излучения) на самом деле невелика и на больших расстояниях они попросту становятся невидимыми.

Для галактик больших масс и диаметров имеет место противоположное явление. Для них до очень больших расстояний доминирующей является доплеровская компонента z_D, а зависимость между массой галактики М, расстоянием r и красным смещением z выражается формулой

Z= B*(r/M^0,5).                                                           (1)

(B– константа).

Из формулы (1) следует, что в группе равноудаленных от наблюдателя галактик (r = const) галактики малых масс имеют завышенное красное смещение z, а галактики больших масс заниженное. Используя классический закон Хаббла z = H·r/c для определения расстояний до галактик больших масс, мы будем занижать расстояние до этих галактик, так как z для них заниженное. Вот это явление и послужило причиной появления гипотезы о тёмной энергии.

До запуска телескопа Хаббл наблюдаемая часть Вселенной имела радиус порядка 10,5 млрд. световых лет. В восьмидесятых годах прошлого века две соперничающие исследовательские группы пытались составить массив экспериментальных данных по сверхновым типа Ia. По собранной информации учёные надеялись обнаружить замедляющееся расширение Вселенной. К 1988 году обе группы в общей сложности обнаружили около полусотни сверхновых. Однако наблюдения свидетельствовали о том, что сверхновые типа Ia в далёких галактиках имеют яркость ниже той, которая ожидалась в соответствии с законом Хаббла. Если эти наблюдения были верны, то это означало, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Факт неожиданный и в ту пору немыслимый. Но наблюдений было недостаточно, они велись на пределе возможностей наблюдательной техники и противоречили результатам, полученным ранее для более близких галактик. Требовалась перепроверка наблюдений и набор статистики. И такую возможность предоставил телескоп Хаббл, запущенный в апреле 1990 года и отодвинувший горизонт Вселенной почти на порядок до 93 миллиардов световых лет.

К 1998 году обе группы набрали необходимое количество наблюдений, подтвердивших, что сверхновые светят слабее, чем требуется по закону Хаббла. Заявление об этом они сделали почти одновременно, с разрывом в несколько месяцев. Истолкование полученному результату было дано уже привычным способом: ввели новую сущность – антигравитирующую «тёмную энергию». А в 2011 году астрофизикам группы, успевшей заявить первой об открытии, была присуждена Нобелевская премия. Happy end!

Однако зададимся вопросом: откуда обе группы набрали необходимое количество наблюдений? Естественно, наблюдения были набраны за пределом прежнего горизонта Вселенной. Значит, на огромных расстояниях, открытых телескопом Хаббл. И естественно, в выборку попали только яркие сверхгиганты – эллиптические, линзообразные и, возможно самые крупные спиральные галактики, потому что более слабые галактики на таких расстояниях уже не видны. Все перечисленные виды галактик мало того, что сверхмассивны, но и диаметры у них огромны. В соответствии со сказанным выше, красное смещение у таких галактик будет заниженным. Расстояние до них, вычисленное по закону Хаббла, тоже окажется заниженным, то есть будет меньше, чем показывали сверхновые. Вот такова была основа открытой в 1998 году «тёмной энергии», породившей огромное количество новых фантазий в астрофизике.