Яка модель відповідає реальному Всесвіту?
Хоча фрідмановська модель сильно відрізняються один від одного і з геометрії, і по динаміці, у них багато спільних властивостей: однорідність, ізотропія, розширення, наявність червоного зсуву в спектрах галактик, наявність горизонту видимості у Всесвіті. З спостережної точки зору, відмінності просторів моделей I-IV істотні при дослідженні тільки дуже далеких об’єктів. Але наявна в розпорядженні вчених техніка ще недостатньо чутлива до вивчення галактик і квазарів з дуже великими червоними зсувами. До того ж є один фактор, що маскує відмінності геометрії трьох типів простору на далеких відстанях: це еволюція космічних об’єктів, адже більш далекі об’єкти одночасно і більш молоді, але закони цієї еволюції відомі ще недостатньо добре і тому їх дуже важко врахувати. Все це призводить до того, що вченим досі так і не вдалося надійно визначити справжню модель Всесвіту.
Для того, щоб зробити це, щонайменше необхідно знати середню щільність речовини. Найлегше оцінити щільність речовини, що світиться, тобто “Розмазала” щільність галактик. Вона становить близько 0.5% критичної, тобто якби у Всесвіті нічого, крім зірок і світиться газу, не було, її розширення було б вічним, а простір – нескінченним.
Однак у світі є і не світяться, невидиме речовина, зване темною матерією або прихованої масою. Найперший аргумент на користь існування темної матерії, заснований на вивченні руху галактик, що входять до складу скупчень, привів американський астроном Фріц Цвіккі ще в 30-і роки: ці галактики мають швидкості хаотичного руху (щодо центру скупчення), що перевершують 1000 км / с. Сумарна маса всіх галактик якого-небудь великого скупчення становить близько 1013 мас Сонця. Цієї маси недостатньо, щоб утримати галактики від розльоту, і якби в скупченнях не було невидимого речовини, ці системи розпалися б усього за кілька мільярдів років (тоді як насправді їх вік становить, за останніми оцінками, близько 13 млрд. Років). Повна маса скупчень галактик повинна становити щонайменше 1014 мас Сонця, з них не більше 10% може припадати на звичайну речовину.
Інший важливий аргумент на користь існування невидимої речовини, що проявляє себе тільки за допомогою гравітації, заснований на прогнозі загальної теорії відносності, згідно з яким зміна геометрії простору-часу поблизу масивних тіл призводять до викривлення світлових променів (ефект гравітаційної лінзи). Тому якщо який-небудь об’єкт, що світився розташований за масивним скупченням галактик, його зображення повинно бути спотворено. Це і спостерігається насправді (рис. 4.6.1). Вивчаючи ці спотворення, можна безпосереднім чином виміряти масу скупчення галактик. Виявляється, масивні скупчення повинні мати маси 1014 мас Сонця, у згоді з наведеними раніше результатом. Відзначимо, що й інші методи оцінки мас скупчень підтверджують цей висновок.
Рис. 4.6.1. Скупчення галактик A2218. Дуги – спотворені зображення галактик, що лежать за скупченням. Фотографія отримана Космічним телескопом ім. Хаббла. Посилання на джерело.
Вивчення динаміки скупчень галактик приводить до висновку, що середня щільність речовини у Всесвіті повинна становити прімерно20-30% критичної щільності. З чого може складатися недостатня матерія? Можливий варіант – труднонаблюдаемий міжгалактичний газ. Дійсно, оцінки останніх років говорять про те, що повна щільність звичайного (баріонів) речовини приблизно в десять разів перевершує масу видимої речовини, зібраного в зірки (як були зроблені ці оцінки, див. §5.4). Однак і цього недостатньо для пояснення всієї прихованої маси.
В даний час вважається, що більша частина невидимої матерії існує у формі принципово несветящегося речовини, що складається з частинок, вкрай слабо взаємодіючих і зі світлом, і із звичайною речовиною, і один з одним. Ще в 30-ті роки була виявлена елементарна частка, що володіє такими властивостями – нейтрино. Якби можна було спорудити свинцеву стіну товщиною кілька світлових років, нейтрино пролетіло б крізь неї, майже не загальмує! Нейтрино можуть утворювати величезні хмари, усередині яких вони пов’язані силою гравітації, але ці хмари абсолютно невидимі, оскільки нейтрино не взаємодіють зі світлом. До цих пір остаточно не відомо, чи є у нейтрино маса спокою; тільки в тому випадку, якщо це так, нейтрино може бути кандидатом на роль прихованої маси. Влітку 1998 року було оголошено, що на американо-японському детекторі нейтрино Суперкаміоканде вдалося зафіксувати так звані осциляції нейтрино (самовільні перетворення нейтрино різних типів один в одного), які можливі тільки в тому випадку, якщо різні типи нейтрино мають різні маси, тобто хоча б у деяких з них маса не дорівнює нулю. На жаль, за даними цього експерименту можна судити лише про нижній межі маси нейтрино, вона виявилася рівною 0.1 еВ, що значно менше маси електрона (близько 500 МеВ). Однак нейтрино надзвичайно поширені у Всесвіті (на один нуклон припадає близько мільярда нейтрино), тому сумарна маса нейтрино як мінімум не поступається сумарній масі видимої речовини.
Крім нейтрино, фізики-теоретики пророкують існування й інших всепроникаючих і слабовзаємодіючих частинок, які повинні мати набагато більші маси (Фотинії, гравітіно та ін.; загальна назва – холодна темна матерія), які, на відміну від нейтрино, поки не виявлені експериментально (існують і ще більш екзотичні гіпотези про природу темної матерії).
Перейдемо до проблеми щільності енергії вакууму. Астрономічні спостереження накладають жорстке обмеження зверху на значення цієї величини: у всякому разі, вона повинна бути менше критичної. Вагомим аргументом на користь позитивного значення космологічної постійної довгий час був так званий парадокс віку Всесвіту: якщо постійна Хаббла H ближче до свого верхньої межі, то Хаббловском час виявляється менше віків найстаріших зірок (які донедавна оцінювалися приблизно в 15 млрд. Років). Цю проблему можна вирішити, якщо припустити, що щільність вакууму позитивна і в кілька разів перевершує щільність інших видів матерії, оскільки тоді Всесвіт описується фрідмановской моделлю IV і ми живемо на стадії прискореного розширення (рис. 4.6.2).
Рис. 4.6.2. Рішення парадоксу часу у Всесвіті з великою позитивною щільністю вакууму: t0 – сьогоднішній момент, t2 – вік Всесвіту, в якій домінує речовина (моделі I-III), tH – Хаббловском час (вік Всесвіту за відсутності прискорення або уповільнення), t1 – вік Всесвіту при Λ> 0, tзв – вік найстаріших зірок. На даний момент часу графіки руху, які відповідають усім моделям Всесвіту, стикаються і мають спільну дотичну, тангенс нахилу якої – швидкість розширення Всесвіту зараз.
Однак в 1997 році європейський астрометричні супутник Hipparcos справив дуже точні вимірювання відстані до деяких цефеїд, що призвело до помітного зниження оцінок віків найстаріших зірок (зараз він оцінюється приблизно в 12 млрд. Років, хоча повної згоди серед учених тут поки немає), і зараз парадокс віку вважається або зовсім усуненим, або сильно втратив актуальність.
У 1998 році дві групи вчених, Supernova Cosmology Project і High-z Supernova Search, що займаються вивченням вибухів наднових типу Ia (нагадаємо, одних з кращих “стандартних свічок”) в далеких галактиках, повідомили сенсаційні дані про характеристики космологічної моделі: Всесвіт в даний час розширюється з прискоренням, причому її геометрія є евклідової. Це було встановлено в такий спосіб. Якщо Всесвіт розширюється з уповільненням, то минулого швидкості галактик були вище і, відповідно до принципу “чим далі в просторі – тим глибше в часі” (див. §3.1), далекі галактики повинні мати великі швидкості, ніж це випливає із закону Хаббла. Дві вищезгадані групи, використавши для вимірювання відносних відстаней до галактик СН-Ia, встановили, що насправді має місце відхилення від закону Хаббла в протилежну сторону, тобто Всесвіт розширюється з прискоренням. Виміряна за цими даними щільність енергії вакууму склала 0.6 критичної або вище. У квітні 2001 року цей висновок отримав вагому підтримку з відкриттям за допомогою космічного телескопа ім. Хаббла найдальшої наднової Ia (червоний зсув z = 1.7).
Отже, найкраще збіг з даними спостережень має космологічна модель, в якій щільність приблизно дорівнює критичної (тобто простір має евклидову геометрію), при цьому на вакуум припадає 65%, на холодну темну матерію 30%, на баріонну приховану масу 5%, на нейтрино і на видиме речовина по 0.5%; згідно цієї найкращої моделі, Всесвіт буде розширюватися вічно і має вік 13 млрд. років (що узгоджується з віками найстаріших зірок).
Ці дані слід визнати попередніми. Очікується, що в найближчі 10-15 років, завдяки введенню нових гігантських телескопів і супутників, оснащених оптичними, радіо – і рентгенівськими телескопами, проблема визначення дійсної геометрії Всесвіту і її долі буде вирішена.