 |
Астронет: А. Д. Чернин/ГАИШ Темная энергия вблизи нас http://variable-stars.ru/db/msg/1210535/node9.html |
8. Ближняя Вселенная и локальная космология
Хотя темная энергия была открыта на очень больших, глобальных расстояниях, она в действительности должна присутствовать везде в мире и притом ее плотность должна быть всюду одинакова и не меняется со временем. Наша идея состоит в том, что темная энергия присутствует и в ближней Вселенной, заполняя ее пространство идеально равномерно. Никаких непосредственных экспериментальных указаний на это до сих пор не обнаруживалось. Но если принять интерпретацию темной энергии в духе Эйнштейна и Глинера, такое допущение следует считать естественным, а то и вовсе неизбежным.
Если так (а это еще предстоит проверить - см. ниже), близкие галактики, которые наблюдал в свое время Хаббл, движутся не в пустоте, а на однородном фоне космического вакуума. Вакуум с его темной энергией создает здесь - как и в глобальных масштабах - антитяготение, а оно стремится заставить галактики двигаться друг от друга и притом с ускорением. Таков исходный пункт нашей теории ближней Вселенной.
Далее, нужно понять, какие еще силы, кроме антитяготения вакуума, действуют на ближние галактики. Особенно интересны для нас самые близкие расстояния - те, где берет начало хаббловский поток расширения. К счастью, для интервала расстояний от 1 до 3-5 Мпк мы располагаем богатыми результатами обширных, систематических и высокоточных наблюдений, проводимых И.Д. Караченцевым и его сотрудниками (САО РАН) на 6-метровом телескопе САО и орбитальном Хаббловском телескопе. Эти данные позволяют получить ясное представление о ближайшем к нам объеме космического пространства с поперечником 6-10 Мпк.
В центре этого объема располагаются две гигантские галактики -
наша Галактика Млечный Путь и галактика Андромеды. Они образуют
связанную пару и движутся навстречу друг другу. В современную
эпоху расстояние между ними составляет 0,7 Мпк. Полная масса этой
пары галактик, включая и скрытые массы вокруг них, составляет 1,5
триллиона (
) масс Солнца. Вместе с сотней мелких
галактик-карликов, эти две галактики образуют Местную группу
галактик, причем вклад карликов в ее полную массу пренебрежимо
мал по сравнению с массой двух гигантов. Поперечник группы близок
к 1 Мпк.
Вокруг Местной группы до расстояний в 3 Мпк от ее центра тяжести
наблюдаются десятки галактик-карликов хаббловского потока. Они
движутся в разные стороны от центра. Для трех десятков из них
группой Караченцев проделаны высокоточные измерения скорости (с
ошибкой не более 1-2 км/сек) и расстояния (с ошибкой не более
10%). Согласно этим данным, ближайшие галактики движутся в
полном соответствии с законом Хаббла: скорость потока
пропорциональна расстоянию. Измеренное значение локальной
постоянной Хаббла составляет 
км/сек/Мпк. А дисперсия
скоростей совсем мала - всего 25-30 км/сек.
Эти мелкие галактики практически не взаимодействуют между собой; к тому же их полная масса пренебрежимо мала по сравнению с массой Местной группы, так что карлики локального потока вполне можно рассматривать как "пробные частицы", которые движутся в поле тяготения Местной группы и поле антитяготения темной энергии.
Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы и разбегающиеся от нее галактики ближайшего хаббловского потока; все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума.
Такую картину нетрудно описать теоретически. Рассмотрим прежде
всего силы, действующие на какую-то частицу хаббловского потока
(карликовую галактику). Выберем систему отсчета с началом
координат в центре Местной группы, а саму эту группу будем
рассматривать просто как точечную массу. Такое приближение вполне
приемлемо для наших целей (об уточнениях см ниже). Если
центральная масса есть 
, а масса частицы 
, то на последнюю
воздействует ньютоновская сила тяготения
Здесь 
- постоянная тяготения, 
- расстояние до частицы от
центра. Знак минус указывает на то, что сила взаимного тяготения
стремится сблизить тела.
На ньютоновском языке сил можно описать и всемирное антитяготение космического вакуума. Из общей теории относительности, "переведенной" на этот язык, вытекает, что эйнштейновская сила антитяготения, действующая между двумя телами, прямо пропорциональна расстоянию между ними. Эта сила создается не телами, а вакуумом - средой, в которую они погружены. Поэтому она определяется плотностью вакуума:
Знак плюс означает, что эта сила отталкивает тела друг от друга.
Эта формула учитывает, что тяготение создается как плотностью
энергии любой среды, так и ее давлением: в нее входит эффективная
гравитирующая плотность вакуума 
.
Из последней формулы можно увидеть, что на частицу действует
"эффективная" (или полная) масса вакуума, заключенная в сфере
радиуса . Эта масса есть произведение эффективной плотности на объем сферы
Если к этой массе
применить ньютоновский закон обратных квадратов (как для силы
выше), то как раз и получим формулу для 
. При этом
знак "минус" от эффективной плотности вместе со знаком "минус" из
ньютоновской формулы дают знак "плюс" для силы .
На любую частицу хаббловского потока действует сумма сил:
Из этих простых формул видно, что тяготение доминирует на малых
расстояниях, 
: оно тем сильнее, чем ближе тела друг к
другу. А антитяготение преобладает на больших расстояниях, 
: оно тем сильнее, чем дальше тела друг от друга. Сумма сил
равна нулю на расстоянии
На этом расстоянии от центра тяготение центральной массы точно компенсируется антитяготением вакуума. Это радиус нулевого ускорения, как мы его будем называть.
Если считать (как принято выше), что плотность темной энергии имеет вблизи нас то же значение, что и на самых далеких расстояниях, то радиус нулевого ускорения можно легко оценить. Для указанных выше значений плотности вакуума и массы Местной группы он составит 1,3 Мпк. Вспомним, что, согласно наблюдениям, хаббловский поток расширения начинается с почти тех же расстояний в 1-2 Мпк. Это близкое совпадение далеко не случайно (см. ниже).
Расстояние 
, на котором сила тяготения Местной группы
компенсируется силой антитяготения темной энергии вакуума, играет
в нашей теории ту же роль, что и момент нулевого ускорения в
глобальной космологии, о котором мы говорили выше. Разница тем не
менее весьма существенна: в космологии Фридмана баланс тяготения и
антитяготения возникает лишь на миг, но охватывает весь
глобальный мир; а в ближней Вселенной этот баланс существует
всегда, но только на одном конкр;;етном расстоянии от центра.
Это сравнение лучше всего иллюстрирует основное различие между глобальной космологией и нашей теорией ближней Вселенной. Центральный пункт состоит в том, что теория Фридмана - это теория эволюционирующего, изменяющегося во времени мира. А локальная космология имеет дело со статическим полем тяготения/антитяготения, которое не меняется со временем и всегда одно и то же. Если говорить не на ньютоновском языке сил, а на языке общей теории относительности, то нужно сказать, что глобальное пространство-время нестатично, а пространство-время ближней Вселенной статично. Заметим, что статичность локального пространства-времени - принципиальный факт общей теории относительности, а не просто результат того, что в малых масштабах применима ньютонова физика абсолютного пространства и абсолютного времени.
Но имеется и не менее принципиальное сходство между двумя
теориями. Как в глобальном, так и в локальном масштабе основным,
доминирующим фактором в динамике хаббловского потока является
космический вакуум с его всюду одинаковой темной энергией. Именно
он управляет (почти исключительно) движением галактик в
глобальном масштабе современной Вселенной. Но он же (практически
полностью) контролирует и движение галактик-карликов ближнего
хаббловского потока на расстояниях, превышающих радиус нулевого
ускорения .
На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики локального хаббловского потока движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет (верней, подгоняет).
В этом предельном случае расстояние частицы потока от центра возрастает со временем, как легко видеть, по экспоненциальному закону:
где снова появляется характерное "вакуумное" время
Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными - благодаря темной энергии вакуума.
Если подставить в выражение для 
значение плотности вакуума,
то увидим, что время близко к современному возрасту мира,
14-15 млрд. лет. Это, конечно, не случайное совпадение; оно
возникает из-за того, что возраст мира не очень сильно (всего
раза в 2) увеличился от той эпохи, когда в глобальном масштабе
произошел переход от замедляющегося космологического расширения к
ускоряющемуся (см. выше).
Вот что особенно интересно: экспоненциальный закон расстояний дает для локального разбегания галактик и экспоненциальную зависимость для скорости (после дифференцирования по времени). А это означает, что скорость оказывается пропорциональной расстоянию - как и требуется по закону Хаббла:
Здесь постоянная 
выражается через характерное
"вакуумное" время. Если перейти к принятым в астрономии единицам,
то увидим, что 
км/сек/Мпк. Мы называем величину 
универсальной постоянной Хаббла. Она действительно постоянная -
не зависит ни от расстояний или направлений на небе, ни от
времени. Так как эта константа выражается через характерное время
, общее для глобальной и локальной динамики расширения,
величина универсальна: она "работает" и в локальной и в
глобальной космологии, - в пределе, когда плотность темной
энергии всюду доминирует.
Важно, что все частицы локального потока, независимо от их предыстории (то есть от начальных условий) переходят рано или поздно на закон экспоненциального разбегания с хаббловским законом скорости. Это общее будущее для очень широкого класса движений на том динамическом фоне, который имеется в ближней Вселенной. Экспоненциальный режим - это их общий динамический аттрактор, как принято в таких случаях говорить. С приближением к этому режиму любая траектория "притягивается" к экпоненциальной асимптотической траектории, так что любой исходный поток частиц действительно становится регулярным, спокойным и холодным (если воспользоваться словами Сэндиджа).
Не менее важно и то, что глобальное космологическое расширение
тоже переходит на экспоненциальный режим в пределе больших времен
(см. предыдущий параграф). Закон хаббла существует в больших
масштабах изначально, от Большого Взрыва. А экспоненциальный режим
разбегания галактик устанавливается асимптотически на больших
временах, когда плотность обычного вещества, убывающая в ходе
космологического расширения, становится гораздо меньше плотности
темной энергии. В таком пределе глобальная постоянная Хаббла
стремится к универсальной постоянной Хаббла .
Замечательное обстоятельство состоит в том, что и глобальный и локальный потоки реально весьма близки к этому пределу. Отсюда вытекает их поразительное сходство, еще недавно ставившее в тупик и теоретиков и астрономов. Действительно: в обоих случаях имеет место и сам факт расширения, и закон Хаббла с близкими значениями соответствующих постоянных. А все дело в том, что темная энергия почти безраздельно царствует и в далекой (сейчас) и в близкой (но не слишком) Вселенной.
Итак, асимптотическое сходство двух теорий - глобальной и локальной, - естественным образом дополняющих друг друга, разрешает парадокс Хаббла-Сэндиджа. Действительно, везде, где доминирует вакуум с его всюду одинаковой плотностью, тела должны удаляться друг от друга. При этом темп расширения, характеризуемый постоянной Хаббла, должен быть практически одинаков при таких обстоятельствах и вблизи нас и на самых больших расстояниях во Вселенной. Когда движение тел управляется главным образом темной энергией, постоянная Хаббла определяется (почти) исключительно одной только плотностью темной энергии - так говорит и космология Фридмана и локальная космология. В теоретически мыслимом предельном случае, когда всюду в мире безраздельно царит вакуум, постоянная Хаббла должна быть - во всей области масштабов от нас и до края Вселенной - строго одной и той же. Ее численное значение выражается в этом пределе только через плотность темной энергии и составляет 60 км/сек/Мпк. А это совсем близко к реальным цифрам, даваемым астрономами как для глобальной, так и для ближней Вселенной (см. выше). В пределах реальной ошибки наблюдений все три величины - глобальная постоянная Хаббла, локальная постоянная Хаббла и универсальная постоянная Хаббла - практически совпадают.
<< 7. Мир антитяготения | Оглавление | 9. Компьютерное моделирование >>