Но разве может нечто, находящееся в состоянии растяжения, отталкивать тела? Скорее, они должны притягиваться, а не отталкиваться. И вот здесь интуиция нас подводит. Общая теория относительности, которая описывает поведение гравитации, оперирует не только понятием энергии, но также понятием давления. Высокое давление приводит к появлению притягивающего поля тяготения; наоборот, если есть растяжение, значит, должно присутствовать отталкивание.
Очевидно, такое объяснение никого не может удовлетворить. Знания по физике в объеме средней школы помогают преодолеть только половину пути и подойти к пониманию того, что темная энергия имеет растягивающую силу. А затем начинаются чудеса относительности, которые делают это растяжение отталкивающим. В попытках ответить на вопрос, что же собой на самом деле представляет темная энергия, возможно, мы натолкнемся и на объяснение того, почему она создает отталкивание.
Космологическая постоянная
Самым «ручным» из всех этих гипотетических монстров является космологическая постоянная, но и она склонна гулять сама по себе. Фактически это плотность энергии, присущая самому пространству, которая в общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. По мере расширения пространства ее становится все больше, а ее отталкивание становится все сильнее по сравнению с притяжением все более и более рассеянной материи. Физика элементарных частиц может объяснить ее происхождение виртуальными частицами, которые появляются и исчезают в пузырящемся и неустойчивом квантовом вакууме. Проблема заключается в том, что эти частицы, по-видимому, обладают слишком большой энергией: по самым скромным подсчетам, примерно 10120 джоулей на кубический километр.
Это катастрофическое несоответствие оставляет простор для некоторых альтернативных теорий. Темная энергия может представлять собой энергетическое поле, которое является неотъемлемой частью пространства, изменяющееся со временем и, возможно, даже накапливающееся в разных местах. Она может быть модифицированной формой гравитации, которая на больших расстояниях способна действовать как отталкивающая сила. Например, в одной из теорий темная энергия принимает вид радиоволн, длина которых в триллионы раз больше, чем вся наблюдаемая Вселенная.
Астрономы хотят понять, изменяется ли темная энергия со временем. Если она изменяется, то это исключит космологическую постоянную, чья плотность должна оставаться неизменной. Напротив, энергетическое поле нового типа может становиться более слабым по мере растяжения пространства, а может и усиливаться, накачиваясь за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также переменна. Она может даже увеличиваться на некоторое время, а затем, наоборот, уменьшаться.
Судьба Вселенной зависит от этого хрупкого равновесия. Если темная энергия остается постоянной, бо́льшая часть космического пространства будет все быстрее уходить вдаль, оставляя нас на маленькой островной вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если она усиливается, то все, в конце концов, может кончиться Большим разрывом, или даже ткань пространства будет становиться неустойчивой здесь и сейчас. Наилучшая оценка на сегодняшний день основана преимущественно на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно стабильна.
В погоне за тенью
Проект «Обзор темной энергии» (Dark Energy Survey) нацелен на обнаружение сигналов присутствия темной энергии на широких просторах неба. Он осуществляется с помощью 4-метрового телескопа им. Виктора Бланко, расположенного в межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. На нем установлена специально спроектированная чувствительная инфракрасная камера.
Эти наблюдения могут зарегистрировать много новых сверхновых. Видимая яркость каждого взрыва звезды говорит нам о том, как давно он произошел. За то время, пока свет путешествовал в нашем направлении, длина его волны увеличилась, или «покраснела», за счет расширения пространства. Если сопоставить все данные, то можно изобразить, как происходило расширение со временем.
Этот обзор позволит нам составить изощренную карту неба, на которой будут отмечены положения нескольких сотен миллионов галактик и указаны их расстояния до нас. Эхо от звуковых волн, пронесшихся по младенческому космосу, определило характерные размеры обширных сверхскоплений галактик. Измеряя видимый размер сверхскоплений, мы можем по-новому взглянуть на историю расширения Вселенной (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Тайна темной энергии: многочисленные данные указывают на то, что нечто противостоит притяжению гравитации и ускоряет расширение Вселенной
С помощью этой карты можно будет также выявить влияние темной энергии на меньших масштабах. Темная энергия препятствует объединению галактик в скопления. Ученые, принимающие участие в обзоре, произведут прямой подсчет скоплений и с помощью эффекта гравитационного линзирования оценят роль скрытой массы. Дело в том, что массивные скопления играют роль своеобразной гравитационной линзы, отклоняя проходящий через них свет, испущенный более далекими космическими объектами (см. также главу 2). Распределение массы в скоплениях может помочь выявить измененные формы гравитации, поскольку является своеобразным космическим зондом на промежуточных расстояниях, на которых гравитация может начинать менять свою природу. Все эти измерения должны дать нам представление о том, как темная энергия меняется со временем.
Мега-проекты
Лидером среди охотников за темной материей является уже упоминавшийся выше проект «Обзор темной энергии». Большой обзорный телескоп (The Large Synoptic Survey Telescope), который будет построен в Чили с участием США, нацелится своим огромным глазом на небо в 2021 году. Другие мега-проекты, такие как европейский Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope) в Чили, должны вступить в действие примерно в это же время вместе с крупнейшим в мире радиоинтерферометром SKA (Square Kilometre Array – «антенна с площадью в квадратный километр»). Антенны будут размещены в Австралии и Южной Африке и представлять собой огромный космический радиотелескоп для исследования структуры космоса по радиосвечению водородных облаков. В 2020 году Европейское космическое агентство планирует запустить в космос для поисков темной материи телескоп «Евклид», который будет искать эффекты гравитационного линзирования и объединения галактик в скопления, происходившие на еще более ранних этапах жизни Вселенной. Широкодиапазонный инфракрасный телескоп (Wide Field Infrared Survey Telescope) НАСА стартует несколькими годами позже.
Эта погоня в пространстве обещает быть весьма захватывающей, но цель и дальше может ускользать от нас. Если мы обнаружим, что плотность темной энергии остается с течением времени почти постоянной, это, возможно, поддержит идею космологической постоянной, но не исключит вероятность существования некоторых полей квинтэссенции с почти постоянной плотностью. Поэтому некоторые физики и расставляют на Земле ловушки для темной энергии. Если вы вводите новое поле или новые частицы для того, чтобы объяснить темную энергию, то они неизбежно будут переносчиками взаимодействия нового типа в дополнение к тем, которые мы знаем, – гравитации, электромагнетизму и ядерным силам. Но мы не видим, чтобы эта новая сила как-то сказывалась на движении планет в нашей Солнечной системе. Многие теоретики избавляются от этой сложности просто: они вводят экранирующий механизм, который ослабляет пятую силу в сравнительно плотной среде, какой являются окрестности Солнечной системы.
