День, когда Вселенная замерзла

Наверное, трудно вообразить себе замерзшую Вселенную. Однако согласно новой модели темной энергии, это случилось около 11,5 миллиардов лет тому назад, когда объем Вселенной был равен примерно четверти сегодняшнего.

Модель, опубликованная в одном из майских номеров журнала Physical Review D, была разработана научным ассистентом Суриш Дутта (Sourish Dutta) и профессором физики Робертом Шеррером (Robert Scherrer) из Университета Вандербилт и коллегами из Орегонского университета.

Космологический фазовый переход подобный замерзанию является одним из отличительных аспектов этой попытки учесть темную энергию, которая, как теперь предполагают космологи, составляет более 70% всей энергии и материи Вселенной и «расталкивает» ее со все возрастающей скоростью.

Другая особенность новой формулировки – она делает проверяемым предсказание, относящееся к скорости расширения Вселенной. Вдобавок, микровзрывы, создаваемые наибольшими в мире коллайдерами частиц, могут возбуждать поле темной энергии и эти возбуждения могут проявляться в виде экзотических, никогда ранее не регистрированных субатомных частиц.


«Одним из существенных недостатков многих существующих моделей для темной энергии – трудность экспериментальной проверки, - говорит проф. Шеррер. – Мы разработали модель, в которой темная материя может взаимодействовать с обычной и, таким образом, приводить к наблюдаемым результатам».

Модель связывает темную энергию с так называемой энергией вакуума. Последняя предполагает, что вакуум наполнен парами виртуальных частиц, которые рождаются и аннигилируют столь быстро, что не могут быть обнаружены.

Эта субатомная активность вакуума является логическим основанием для темной энергии, поскольку обе распределяются в пространстве однородно. Такое распределение не противоречит тому факту, что средняя плотность темной энергии остается постоянной в процессе расширения Вселенной (в отличие от обычной материи и энергии).

Теория принадлежит к таким, которые соотносят темную материю с совершенно новым полем, которое назвали квинтэссенциальным (quintessence). Оно похоже на другие основные поля, как гравитационное или электромагнитное, но обладает рядом уникальных свойств. Одно из них – порождаемая им сила постоянна во всей Вселенной. Другая важная особенность – оно действует подобно антигравитационному агенту, заставляя объекты отталкиваться друг от друга.

В своей простейшей форме сила квинтэссенциального поля остается постоянной и во времени. В этом случае она играет роль космологической постоянной, введенной Эйнштейном в уравнения общей теории относительности (ОТО), чтобы компенсировать силы гравитации, которые привели бы к сжатию Вселенной. Когда было обнаружено, что Вселенная расширяется, эта постоянная была удалена, так как расширяющаяся Вселенная являлась одним из решений уравнений ОТО. Затем в конце 90-х изучение сверхновых показало, что Вселенная не просто расширяется, но скорость разбегания со временем увеличивается.

Это буквально нокаутировало космологов, поскольку они думали, что сила гравитации является одной дальнодействующей силой между астрономическими объектами. У них не было идеи, которая объясняла бы этот феномен. Простейшим способом решения проблемы было вернуть обратно космологическую постоянную Эйнштейна с ее антигравитационными свойствами. К сожалению, этот прием обладал рядом существенных недостатков, так что ученые активно искали другие антигравитационные агенты.

Эти антигравитационные агенты (называемые в научной литературе «моделями темной энергии») обычно требовали введения квинтэссенциальных или даже более экзотических полей, ни одно из которых не было обнаружено в природе. Однако их авторы обычно предполагали, что эти поля практически не взаимодействуют с обычной материей и излучением.

Одним из результатов допущения взаимодействия квинтэссенциального поля с обычной материей является допущение вероятности того, что поле прошло через фазовый переход – замерзло – когда Вселенная остыла до температуры, которую она достигла через 2,2 миллиарда лет после Большого Взрыва. Как результат плотность энергии квинтэссенциального поля оставалась на относительно высоком уровне вплоть до фазового перехода, при котором она резко опустилась до значительно более низкого уровня, на котором остается до сих пор.

Этот переход освободил часть темной энергии, присутствовавшей в поле в форме темного излучения. Согласно модели это темное излучение существенно отличается от электромагнитного. Оно совершенно не доступно обнаружению существующими экспериментальными средствами. Однако природа обеспечивает способ обнаружения его присутствия. Согласно ОТО компоненты метрического тензора определяются по известному распределению энергии-импульса. Поэтому изменения в энергии и импульсе, вызываемые появлением темного излучения, должны воздействовать на гравитационное поле Вселенной, замедляя ее расширение характерным путем.

В последующие десять лет астрономические наблюдения, которые отслеживают расширение Вселенной, измеряя яркость наиболее удаленных сверхновых, будут способны подтвердить (или опровергнуть) замедление скорости расширения, которую предсказывает модель.