При ΩΛ не равной нулю получаются модели, заполняющие диаграмму. Диагональной линией обозначено множество моделей, для которых Ω0 = Ωm + ΩΛ = 1, то есть плоских моделей, соответствующих инфляционной теории. Модели слева от этой линии имеют седловидную форму, и эти вселенные обладают бесконечной протяженностью, а модели справа от красной линии – это 3-сферные вселенные. Область, покрытая черными точками и напоминающая по форме галстук, содержит модели, согласующиеся с данными о РИ, полученными с суборбитального телескопа Boomerang в Антарктиде, – это один из важнейших ранних экспериментов. Эта область лежит прямо по линии, подтверждая, что свойства РИ свидетельствуют в пользу плоской модели. Можно наложить на космологическую модель еще одно ограничение: непосредственно измерить хронологию расширения Вселенной, соотнося данные о красном смещении и о расстояниях до далеких объектов. Ученые используют так называемые сверхновые типа Ia, которые удобны в качестве стандартных свеч; участок плоскости (Ωm, ΩΛ), допустимый по наблюдениям сверхновых типа Ia, показан светло-серой заливкой.
Рис. 23.5. Космологические модели (Ωm, ΩΛ). Каждая точка на этой диаграмме соответствует конкретной космологической модели с присущей ей плотностью материи (координата Ωm по оси абсцисс) и плотности темной энергии (координата ΩΛ по оси ординат). Область, обозначенная светло-серой заливкой, захватывает модели, согласующиеся с наблюдениями сверхновых типа Ia, свидетельствующими, что расширение Вселенной ускоряется. Область, обозначенная черными точками, захватывает модели, согласующиеся с наблюдениями реликтового излучения (РИ), полученными в рамках проекта Boomerang с суборбитального аэростата в 2000 году. Тогда была опубликована одна из первых статей, демонстрирующих, что по сумме наблюдений РИ и сверхновых напрашивается вывод, что наша Вселенная плоская (Ω0 = Ωm + ΩΛ = 1) с Ωm ≈ 0,3 и ΩΛ ≈ 0,70. Темная энергия составляет 70 % от всего содержимого Вселенной. Последующие наблюдения, сделанные при помощи спутников WMAP и «Планк», убедительно подтвердили это заключение. Иллюстрация публикуется с разрешения MacMillan Publishers Ltd по изданию Nature, 404, P. de Bernardis, et al. April 27, 2000
Согласно этим данным, Вселенная расширяется все быстрее, и за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году разделили Нобелевскую премию по физике. Модели с ΩΛ > Ωm/2 характеризуются расширением, ускоряющимся на данном этапе, – гравитационное отталкивание темной энергии сильнее гравитационного притяжения материи. Светло-серая область, вычисленная по наблюдениям сверхновых, также подтверждает такое неравенство и показывает, что сегодня Вселенная расширяется с ускорением. (Модели с ΩΛ < Ωm/2 должны сегодня расширяться все медленнее). Черный галстук пересекается со светло-серой областью на небольшом участке со значениями около Ωm ≈ 0,30 и ΩΛ ≈ 0,70. Эти значения согласуются с данными, полученными как на материале РИ, так и на материале сверхновых.
Интересно, что такое перекрытие двух областей согласуется со значением Ωm ≈ 0,30, вычисленным на основе масс скоплений галактик, движений отдельных галактик и разрастания структуры Вселенной. Эта цифра включает как обычную материю (барионы – протоны и нейтроны), так и темную материю. Приблизительно зная величину постоянной Хаббла 67 (км/c)/Мпк, мы, как выясняется, можем непосредственно определить Ωm и Ωбарион, измерив относительную высоту четных и нечетных пиков на рис. 15.3. Ответ таков: Ωбарион ≈ 0,05 и Ωm ≈ 0,30. Результаты наблюдений РИ согласуются со значением Ωбарион ≈ 0,05, которое Гамов вычислил по данным о нуклеосинтезе, рассмотренным в главе 15. Эти данные свидетельствуют, что львиная доля материи во Вселенной – это темная материя (Ωтемнмат ≈ 0,25), которая не может состоять из обычных частиц (барионов). Сейчас ученые пытаются выяснить детальные свойства темной материи, об этом рассказывал Майкл.
Синие линии на рис. 23.5 показывают возраст Вселенной по шкале 1/H0. Предпочтительная космологическая модель, расположенная у самой линии, обозначена «Возраст = 1/H0».
После того как в 2000 году были получены результаты проекта Boomerang, спутник WMAP с высокой точностью исследовал РИ и, уточнив эти оценки, позволил построить стандартную космологическую модель, согласующуюся со всеми ограничениями наблюдений. Спутник «Планк» дополнительно уточнил и эти оценки: H0 = 67 (км/c)/Мпк; возраст Вселенной – 13,8 миллиарда лет, а значение Ωm + ΩΛ = 1 с учетом погрешностей наблюдений согласуется с моделью плоской Вселенной точнее, чем на 1 %.
Результаты WMAP в сумме с оценками по сверхновым и другими данными даже позволили отследить хронологию расширения Вселенной. Затем, вооружившись уравнениями Эйнштейна, мы смогли вычислить отношение давления к плотности энергии для темной энергии – это ключевой показатель, обозначаемый w. WMAP определил значение как w = –1,073 ± 0,09, что в пределах погрешности наблюдений согласуется со значением –1, спрогнозированным Эйнштейном для модели с космологической постоянной. Спутник «Планк» дал схожую оценку. Недавно в рамках Слоановского цифрового обзора неба» удалось измерить, что современное значение w или w0 = –0,95 ± 0,07, при этом использовались данные о скучивании галактик и удобная формула, которую вывели мы с Заком Слепяном. Воспользовавшись теми же данными и формулой, но присовокупив информацию о степени линзирования РИ со стороны далеких галактик, команда «Планка» уточнила значение w0 = –1,008 ± 0,068. Все эти значения в пределах погрешности наблюдений согласуются со значением –1, спрогнозированным для энергии вакуума (темной энергии). Известно, что плотность темной энергии положительна, так как именно положительная плотность энергии, значительно превосходящая плотности обычной и темной материи, требуется для возникновения такой плоской Вселенной, которую мы и наблюдаем. Известно, что давление темной энергии отрицательно, поскольку, с учетом положительной плотности ее энергии, лишь отрицательное давление темной энергии может обеспечить гравитационное отталкивание, необходимое для наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Мы даже смогли точно измерить величину этого отрицательного давления – и выяснилось, что она равна взятой с обратным знаком плотности темной энергии в пределах погрешности наблюдений. Эйнштейн бы обрадовался! Его космологическая постоянная – никакая не ошибка!
Иногда темную энергию описывают как таинственную силу, вызывающую нынешнее ускорение расширения Вселенной, или отмечают, что мы ничего не знаем о темной энергии. Не совсем так. Сила, под действием которой происходит ускоряющееся движение Вселенной, – это просто гравитация. Отталкивание связано с тем, что темная энергия обладает отрицательным давлением. Есть серьезные подозрения, что темная энергия должна стоять в правой части тождеств Эйнштейна (там, где учитывается материя Вселенной), а не в левой части (с описанием законов тяготения), поскольку есть основания полагать, что содержание темной энергии в юной Вселенной было выше, и именно под ее действием началась инфляция. Предполагается, что темная энергия – это некая энергия вакуума, порождаемая полем или полями, но мы не знаем, какими. Известно, что количество темной энергии со временем практически не меняется, но неизвестно, это медленный
