Черные дыры и вселенная - Игорь Новиков

Аргументы в пользу картины расширения Вселенной с длительной задержкой в прошлом (а значит, в пользу существования космологической постоянной) приводили советские астрофизики И. Шкловский и Н. Кардашев, использовавшие другие особенности в спектрах квазаров.

Была ли в действительности задержка в расширении Вселенной в прошлом? Ответ могли дать только новые наблюдения.

Со времени дискуссии этой проблемы прошло почти двадцать лет. Проведено много новых наблюдений квазаров. Постепенно аргументы в пользу задержки расширения начали «рассасываться», как говорят астрономы-профессионалы на своем жаргоне. Новые наблюдения показали, что отсутствие зависимости между видимым блеском квазаров и красным смещением связано с тем, что истинная светимость их очень и очень разнообразна. Их никак нельзя рассматривать как «стандартные свечи» (в отличие от ярчайших галактик в скоплениях) и поэтому нельзя ожидать проявления рассматриваемой зависимости. Точно так же, как если бы мы взяли свечи самой разной истинной яркости, то их видимый блеск никак не характеризовал бы их расстояние от нас.

Отпали и другие аргументы в пользу расширения с задержкой, а с ними отпала и необходимость в существовании космологической постоянной. Отпала уже в третий раз!

Но, как говорят, джинна, выпущенного из бутылки, нелегко загнать обратно. Идея о том, что космологическая постоянная не равна нулю, оказалась живучей.

Ясно одно, что если космологическая постоянная и отличается от нуля, то очень мало. Но доказать, что она точно равна нулю, путем наблюдений, конечно, очень трудно. Может быть, действительно существуют космические силы отталкивания?

Это заставляет физиков задуматься над природой таких сил. Подробнее мы будем говорить об этом в разделе «Почему Вселенная такая». Сейчас отметим только, что энергия взаимодействия виртуальных частиц вакуума (об этом мы говорили в главе «Черные дыры и кванты» в 1-й части) приводит к тому, что в пустоте может быть все время хоть и малая, но отличная от нуля плотность энергии. Свойства вакуума таковы, что вместе с плотностью энергии должны появиться и натяжения (как могут быть натяжения в упругом теле). Вот присутствие этих натяжений и приводит, как можно показать, к возникновению универсальных гравитационных сил отталкивания, о которых мы говорили.

Подчеркнем, что физикам далеко еще не все ясно с природой вакуума.

В последнее время развитие теории физики элементарных частиц делает вероятным заключение о том, что в нашу эпоху и в обозримом прошлом силы гравитации вакуума вряд ли играли заметную роль в эволюции Вселенной. Но вот вблизи самого начала расширения, в первые мгновения, возможно, их роль была определяющей, свойства вакуума там были совсем другие. Об этом, как уже сказано, мы поговорим далее, а здесь заметим, что настало, по-видимому, время «четвертой молодости» идеи о космологической постоянной.

Наверное, у читателей осталось чувство какого-то скептицизма по отношению к специалистам, которые то находят аргументы в пользу идеи о гравитации вакуума, то находят аргументы против нее, то опять за, и так много раз. Не подрывают ли такие колебания веру в надежность научных исследований, веру в науку? О похожей ситуации высказался в уже цитированном памфлете С. Ликок: «Не подумайте, что я высказываю неверие в науку или неуважение к ней (в наши дни это было бы так же чудовищно, как во времена Исаака Ньютона не верить в Святую Троицу). Но все же… Так что подхватывайте свои книжки, следите за развитием науки и ждите следующего астрономического конгресса».

Ну что ж, если оставить шутки, то в истории науки такое положение известно. К какой-нибудь научной идее подходят с разных сторон, на разном уровне развития физики, с разной степенью вооруженности. Штурмуют сложнейшую проблему много раз, пока не решат ее. И, как правило, за ней появляются проблемы еще более глубокие и сложные.

Загадка вакуума относится к такого рода проблемам.

Будущее расширяющейся Вселенной

Итак, вероятно, космологическая постоянная не влияет сегодня на расширение Вселенной. Будем считать ее равной нулю, как это полагал А. Эйнштейн, и посмотрим, как будет протекать расширение в будущем.

Расширение Вселенной протекает с замедлением из-за тяготения, и для будущего есть две возможности. Если тяготение слабо тормозит расширение, то в будущем оно будет продолжаться неограниченно. Расстояние между скоплениями галактик неограниченно увеличивается. Силы тяготения во Вселенной зависят от средней плотности вещества. (Средней называется плотность, если «размазать» все небесные тела, все облака газа, все галактики равномерно по пространству.) Чем больше средняя плотность, тем больше силы. Значит, при достаточно малой средней плотности масс расширение будет продолжаться вечно. Но возможно, что плотность вещества сегодня достаточно велика, а значит, велико замедление расширения. В результате расширение прекращается в будущем и сменяется сжатием.

Ситуация здесь полностью аналогична той, когда ракета, разогнанная до определенной скорости, должна покинуть небесное тело. Так, скорость в 12 километров в секунду достаточна, чтобы покинуть Землю и улететь в космос, ибо эта скорость больше второй космической скорости для Земли. Однако эта скорость недостаточна для того, чтобы покинуть поверхность Юпитера, где вторая космическая скорость, как мы писали, 61 километр в секунду.

Тело, брошенное на Юпитере со скоростью 12 километров в секунду вверх, после подъема снова упадет на него.

Значит, во Вселенной при нынешней ее скорости расширения (нынешней постоянной Хаббла) есть критическое значение плотности вещества, отделяющее один случай от другого.

Вычисления показывают, что это критическое значение — десять атомов водорода в среднем в одном кубическом метре (или равное количество другого вещества). Если истинное значение плотности во Вселенной больше этого, то расширение сменится в будущем сжатием, если меньше, то расширение вечно.

Что имеет место в действительности?

Оказывается, ответить на этот вопрос не так-то просто. Для этого надо учесть все виды материи во Вселенной, ибо все они создают поле тяготения.

Учесть вещество, входящее в звезды, галактики, светящийся газ можно (хотя это трудная задача). Но, возможно, имеется много труднонаблюдаемой материи между галактиками, которая не излучает (или плохо излучает) свет и не поглощает его.

Учет таких масс, как их называют — скрытых масс, крайне труден.

Поэтому точного и полного ответа на поставленный вопрос нет до сих пор.

Можно сказать лишь следующее. Если учитывать только светящиеся галактики, то средняя плотность вещества во Вселенной в тридцать раз меньше критического значения.

Если бы не было труднонаблюдаемых форм материи, то расширение Вселенной продолжалось бы неограниченно.

Проблема скрытой массы

Астрономы имеют серьезные основания подозревать, что в пространстве между галактиками может быть много труднонаблюдаемых форм материи — много скрытой массы. Может быть, невидимые ореолы скрытой массы окружают даже отдельные галактики.

Одним из поводов для такого подозрения являются результаты измерений масс скоплений галактик. Измерения проводятся следующим образом.

Правильные скопления имеют симметричную форму, распределение галактик в них плавно спадает от центра к краю, и поэтому есть все основания считать, что скопления находятся в равновесном состоянии, когда энергия движений галактик уравновешена силой взаимного тяготения всех масс, входящих в скопление. В этом случае, как мы уже говорили в главе о способах измерения масс, можно определить силу тяготения, а значит, и полную массу всех видов материи, входящих в скопление, ибо все они участвуют в создании поля тяготения.

Такое определение, выполненное, например, для скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, приводит к значению 2 · 1015 масс Солнца.

Но можно определить массу скопления и другим путем. Для этого надо подсчитать полное число всех галактик, входящих в скопление, и помножить на массу средней галактики. Если так сделать, то получается масса раз в десять меньше, чем при определении первым способом.

Значит, в скоплении должна быть невидимая масса между галактиками, которая и создает дополнительное поле тяготения и учитывается в первом способе, но не входит в галактики и не учитывается во втором способе.

Подобные же результаты получаются и при исследовании других скоплений галактик.

Конечно, при применении обоих способов возможны неизбежные ошибки. Но вряд ли эти ошибки столь велики, что могут объяснить все расхождение в результатах. Тщательный анализ показывает, что «свалить» всю вину за получение парадоксально большой массы в скоплениях на подобные ошибки крайне трудно. Полученные выводы заставляют со всей серьезностью отнестись к поискам скрытой массы, причем не только в скоплениях галактик, но и между скоплениями. В какой форме может существовать скрытая масса? Может быть, это межгалактический газ? Ведь объем пространства между галактиками гораздо больше объема пространства, приходящегося на галактики! Поэтому межгалактический газ, концентрация которого хотя и много меньше, чем у газа внутри галактик, может в результате все же давать гигантские массы.