U (омега) и баланс сил в космосе
Современные космологи утверждают, что на начальной стадии были возможны три сценария развития вселенной. 1) Сила гравитации могла быть больше силы расширения, и вселенная бы очень быстро свернулась обратно, до того, как могли появиться галактики и звезды. 2) Сила расширения могла перевесить силу гравитации, и вселенная бы развернулась слишком быстро для того, чтобы могли появиться звезды и галактики. 3) Силы гравитации и расширения могли быть уравновешены, и вселенная расширялась бы именно с той скоростью, которая необходима для формирования звезд и галактик и их долговременного существования.
Таким образом, судьба всей вселенной зависит от критической средней плотности материи. Критическая плотность – это 5 атомов на кубический метр. Если она будет больше 5 атомов на кубический метр, гравитация станет настолько сильной, что вселенная свернется. Если плотность будет меньше этой цифры, вселенная станет расширяться слишком стремительно.
Число омега – это соотношение критической плотности и фактической плотности (Rees. 2000. Pp. 72–90). Если критическая плотность и фактическая плотность равны, соотношение будет равно 1, то есть U[9] (омега) = 1. Такое соотношение позволит вселенной медленно расширяться в таком темпе, при котором смогут появляться звезды и галактики, как это происходит в нашей вселенной. Однако в нашей вселенной фактическая плотность видимой материи значительно меньше критической плотности. Если учесть всю видимую материю, звезды, межзвездный газ, то фактическая плотность составит 0,04 критической плотности. Но, наблюдая за движениями видимой материи, ученые убедились, что во вселенной есть вещество, которое условно назвали темной материей. Например, спиралевидные галактики похожи на вертушку, у которой два или больше закрученных потока звезд, которые начинаются из яркого центрального ядра. Когда астрономы смотрят на спиралевидные галактики, они видят, что там нет достаточного количества обычной видимой материи, чтобы эти потоки так изгибались и шли так близко к центрам таких галактик. Согласно законам притяжения, эти потоки должны были быть менее искривленными. А галактикам, чтобы сохранять существующую форму, нужно иметь в десять раз больше материи, чем в них есть по подсчетам ученых. Получается, что в них есть другая материя, «недостающая». В каком же виде она может находиться? Некоторые астрофизики предполагают, что темная материя может состоять из нейтрино, странных частиц с очень маленькой массой, которые появились в результате Большого взрыва или же из мириадов черных дыр с очень большой массой. Рис пишет: «К сожалению, более 90% вселенной остаются непонятными нам – но еще более обидно, что мы не можем даже представить, из чего состоит темная материя – то ли из частиц массой 10(**(–33)) грамм (нейтрино), то ли из частиц массой до 10**39 грамм (черные дыры)» (Rees. 2000. P. 82). Когда к видимой материи присоединяется темная материя, фактическая плотность материи во вселенной становится равна примерно 0,30 от критической плотности. Если сейчас положение дел именно таково, то через миллиарды лет роста вселенной, соотношение фактической и критической плотности материи во вселенной должно быть очень близко к единице. По словам Риса, «Наша вселенная была создана с невероятной точностью, практически идеально точно для того, чтобы сбалансировать уменьшающуюся силу притяжения. Это примерно то же самое, что сидеть на дне колодца и подбрасывать вверх камень – он остановится в самой верхней точке. Точность просто поразительная: через секунду после Большого взрыва R не могла отличаться от единицы больше чем на значение 1/Х, где Х – миллион миллиардов (1/(10**15)) – и поэтому сейчас, через 10 миллиардов лет, вселенная продолжает расти, и значение U не сильно отошло от единицы» (Rees. 2000. P. 88).
L (лямбда): гравитация и левитация?
Если бы гравитация была единственной силой, которая играет роль в расширении вселенной, астрономы могли бы увидеть, что расширение постепенно прекращается. Гравитация должна снижать темп, с которым все объекты во вселенной удаляются друг от друга. Другими словами, мы должны наблюдать замедление роста вселенной. Сила гравитации зависит от общей плотности вещества. Чем больше плотность, тем больше гравитация. Чем больше гравитация, тем больше замедление. В зависимости от плотности того или иного объекта во вселенной, темп замедления будет быстрее или медленнее, но замедление все же должно быть, поскольку сила притяжения больше силы расширения. Однако же вместо этого ученые заметили видимое ускорение темпа расширения. Это было довольно неожиданно, поскольку говорило о том, что помимо силы гравитации есть еще какие-то фундаментальные силы природы, которые скорее отталкивают, чем притягивают. То есть, помимо гравитации, должна быть еще и антигравитация.
Антигравитацию открыли ученые, пытавшиеся посчитать, сколько же во вселенной всего темной материи (Rees. 2000. Pp. 91–95). Видимая материя во вселенной составляет всего 0,04 критической плотности. А критическая плотность – это точное количество материи, необходимой для того, чтобы вселенная могла просуществовать очень долго с относительно стабильными звездными образованиями и галактиками. Материи должно хватить для того, чтобы замедлить темпы расширения вселенной, чтобы вся материя в ней не превратилась в газ безо всяких характеристик. Но при этом материи должно быть ровно столько, чтобы предотвратить расширение вселенной, а не ускорить процесс сворачивания ее в черную дыру. Ученые предположили существование темной материи, которая, хотя и невидима, обладает гравитационным полем, поскольку видимая материя распространяется по вселенной способом, который противоречит всем законам притяжения. Учитывая силу притяжения этой темной материи, можно объяснить и распространение видимой материи. Но все же, если сложить и видимую, и темную материю, фактическая их плотность составит всего лишь 0,30 от критической плотности. Кое-кто из ученых предположил, что устройство вселенной как она есть сейчас, можно объяснить, если фактическая плотность материи будет очень близка критической плотности, и тогда их соотношение (W) будет один к одному (W=1). Но для этого понадобилось бы больше темной материи. Поэтому ученые решили, что, возможно, в природе есть еще некоторое количество темной материи, которая равномерно распределяется по вселенной. В отличие от скоплений темной материи, которые воспринимаются как черные дыры, равномерно распределенная материя практически не влияет своей силой притяжения на отдельные галактики, и поэтому она никак не проявляется в виде аномалий внутри и среди галактик. Но при этом такая темная материя вполне может оказывать влияние на темп расширения вселенной.
Чтобы проверить свои догадки, ученые решили измерить красное смещение определенных типов сверхновых звезд: «Редкий тип сверхновых звезд, известный под названием «тип 1a», – это внезапный ядерный взрыв в центре умирающей звезды, когда большая часть ее массы (или даже вся) сбрасывается в пространство, а оставшаяся центральная часть сворачивается, – говорит Рис. – По сути, это ядерная бомба со стандартным тротиловым эквивалентом… Важно то, что звезды типа 1а можно расценивать как эталонный источник света, достаточно яркий, чтобы его можно было различить с больших расстояний. По их яркости можно предположить расстояние до них, а измерив красное смещение, можно соотнести скорость расширения и изменение расстояний за прошедшую эру. Космологи надеялись, что такие измерения помогут отличить медленное снижение темпов расширения (которого нужно ожидать, если предположить, что была учтена вся темная материя) от более высокого темпа, если – как считали многие теоретики – во вселенной еще достаточно темной материи, чтобы соотношение фактической и критической плотности было один к одному» (Rees. 2000. P. 93). Исследователи были весьма удивлены, когда обнаружили, что их измерения красных смещений сверхновых звезд не выявили никакого замедления вовсе. Вместо этого они увидели, что темп расширения вселенной немного увеличивается. Это означало две вещи: во-первых, во вселенной не существует достаточного количества темной материи, а во-вторых, чтобы объяснить рост темпа расширения, ученым пришлось предположить присутствие еще одной силы – антигравитации.
Идея об антигравитации встречалась еще у Эйнштейна. В 1920-х годах великий ученый предположил, что вселенная статична. Но по его вычислениям получалось, что вселенная не может
