Тайна темной энергии: раскрыта ли загадка самого большого резервуара энергии во Вселенной?

Группа астрофизиков во главе с Кевином Крокером из Гавайского университета опубликовала смелую гипотезу о природе темной энергии. Напомним, что это загадочная субстанция, придающая ускорение расширению Вселенной. Согласно их концепции, все дело в экзотических объектах, похожих на черные дыры. Родившись при гибели первых звезд, эти тела покинули галактики и затерялись в межгалактических просторах. Эти своеобразные двойники черных дыр и заставляют Вселенную расширяться с ускорением.

Авторы утверждают, что их гипотеза согласуется со всеми наблюдательными данными. Но действительно ли разгадана загадка самого большого во Вселенной резервуара энергии?

Неспокойная Вселенная

Еще в 1920-е годы как теоретики, так и наблюдатели установили, что Вселенная расширяется. Это значит, что галактики разбегаются друг от друга, расстояние между ними увеличивается. При этом сами галактики, звезды и планеты не расширяются, их размеры остаются постоянными.

Для современной астрономии расширение Вселенной — такой же непреложный факт, как существование атомов. Буквально во всех наблюдениях других галактик приходится учитывать это явление, без него полученные результаты не поддаются объяснению.

Однако в 1998 году был открыт удивительный факт: Вселенная расширяется не равномерно, а с ускорением. За это достижение Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике 2011 года. С тех пор наблюдатели неоднократно проверяли факт ускоренного расширения Вселенной. Он был подтвержден несколькими независимыми способами и на сегодняшний день практически не вызывает сомнений.

Но какая же сила порождает это ускорение? Как ни странно, это гравитация, только не притягивающая, а отталкивающая.

Всемирное нетяготение

Самая успешная современная теория, объединяющая пространство, время и гравитацию, — это общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Она была опубликована еще в 1916 году, и с тех пор самые разные ее эффекты были проверены в экспериментах и астрономических наблюдениях. Более того, предсказанное этой теорией замедление времени приходится учитывать в повседневной работе систем спутниковой навигации.

Но есть у ОТО одно парадоксальное следствие, которое почти столетие оставалось не проверенным. Согласно ему, гравитация — это не всегда сила притяжения. Теоретически она может быть и силой отталкивания. Такую «антигравитацию» порождает либо отрицательная масса (даже не пытайтесь представить, что это такое), либо отрицательное давление.

В течение почти всего XX века ни физики-экспериментаторы, ни астрономы-наблюдатели не сталкивались ни с чем подобным. И тут было открыто ускоренное расширение Вселенной.

Специалисты подсчитали, что если заполнить пространство неким полем с отрицательным давлением, то его «антигравитация» будет расталкивать Вселенную с ускорением. Правда, чтобы это ускорение согласовалось с наблюдательными данными, на загадочное поле должно приходиться более 70% всей энергии Вселенной.

Именно это поле, ускоряющее расширение Вселенной своей отталкивающей гравитацией, назвали темной энергией. Но назвать не значит объяснить. Откуда взялась эта субстанция, что она представляет собой? Равномерно ли она распределена по пространству (как считает большинство теоретиков) или собрана в некие сгустки, компактные небесные тела?

Надежных, проверенных, общепринятых ответов на эти вопросы все еще нет. Но Крокер и его коллеги заявляют, что отгадка была дана задолго до того, как появилась загадка. Объекты, из которых можно «сделать» темную энергию, были теоретически рассмотрены еще в 1966 году советским ученым Эрастом Глинером.

Под маской черных дыр

Советский теоретик предложил идею так называемых гравизвезд (gravastars). Он предположил, что при чудовищно большой плотности материи ее давление становится отрицательным. Значит, объекты, внутри которых достигнута такая плотность, становятся источниками отталкивающей гравитации, то есть фактически сгустками темной энергии.

Удивительно, но это совсем не значит, что все вещество начинает разлетаться от этих тел, как пух от вентилятора. Напротив, оно на них весьма охотно падает. Для наблюдателя каждая отдельная гравизвезда практически неотличима от черной дыры. Однако все вместе они вызывают ускоренное расширение Вселенной.

В своих работах Крокер и его группа предложили собственную версию гравизвезд, которую они назвали рядовыми объектами темной энергии (Generic Objects of Dark Energy, или GEODEs).По мнению авторов, GEODEs образуются в том же процессе, что и классические черные дыры: при взрывах сверхновых. Как известно, в таком катаклизме заканчивают свою жизнь массивные звезды. На месте вспышки остается компактный остаток, который превращается либо в нейтронную звезду, либо (для самых массивных светил) в черную дыру.

Большинство специалистов считает, что первое поколение звезд во Вселенной состояло исключительно из крайне массивных тел. Их массы могли достигать сотен или даже тысяч солнц. Дело в химическом составе материала, из которого образовывались первые светила. Термоядерные реакции в нем начинались, только когда масса тела достигала таких чудовищных значений.

Это значит, что первое поколение звезд должно было исчезнуть во впечатляющем файер-шоу из легионов вспыхнувших сверхновых. При этом массово образовывались черные дыры… или GEODEs, если верна концепция Крокера и коллег. Авторы подсчитали, что такого количества гравизвезд вполне достаточно, чтобы обеспечить Вселенную темной энергией.

Более того, ученые пришли к выводу, что большинство рожденных в ту эпоху GEODEs покинули свои галактики и более или менее равномерно распределились по необъятным межгалактическим просторам. Там их практически невозможно заметить, так что неудивительно, что наблюдатели ничем не могут подтвердить существование гравизвезд. Ничем, кроме факта ускоренного расширения Вселенной.

Желаемое или действительное?

Концепция Крокера и коллег на первый взгляд выглядит привлекательной. Для объяснения темной энергии они не вводят никаких полей неизвестной природы. Авторы ограничиваются объектами, которые обсуждаются теоретиками с 1960-х годов. Это ответ в духе весьма почитаемого учеными принципа Оккама: не стоит выдумывать лишних сущностей, факты нужно объяснять прежде всего через уже известные концепции.

Однако достаточно ли надежна концепция гравизвезд, чтобы объяснять с ее помощью что бы то ни было? На этот счет у специалистов есть огромные сомнения.

«Не существует никакой внутренне непротиворечивой теоретической модели таких объектов», — отмечает академик РАН Алексей Старобинский, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН.

Старобинский отмечает, что работа Глинера 1966 года была лишь попыткой построить теорию гравизвезд, и закончилась она неудачей. С тех пор такие попытки предпринимались регулярно и каждый раз проваливались. Пока никому так и не удалось предложить стройную, логически непротиворечивую теорию, из которой вытекало бы существование подобных объектов.

Идея о том, что GEODEs рождаются при взрывах сверхновых, также уязвима для критики.

«Предположение, что рассмотренные авторами тела могут возникать при коллапсе первых звезд во Вселенной, выглядит необоснованным», — утверждает доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института РАН и приглашенный научный сотрудник факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета Павел Иванов.

Ученый сомневается и в том, что из GEODEs, даже если бы они существовали, можно было бы «сделать» темную энергию. «Математические процедуры, посредством которых авторы выводят параметры расширения Вселенной из свойств компактных объектов, внушают сомнения», — отмечает Иванов.

Иначе говоря, объяснение природы темной энергии, данное группой Крокера, выглядит неубедительно (во всяком случае, пока). Однако, по словам Старобинского, теоретикам, по крайней мере, стоит иметь в виду гипотезу о существовании гравизвезд, поскольку она может стать источником новых идей. Не исключено, что непротиворечивая теория подобных объектов однажды все же будет построена.

Ну а пока природа темной энергии остается волнующей загадкой.