Russian Academy of Sciences

Landau Institute for Theoretical Physics

Uchenye «razreshili» einshteinovskoi kosmologicheskoi postoyannoi izmenyat’sya

1 February

Uchenye pod rukovodstvom glavnogo nauchnogo sotrudnika ITF imeni L.D. Landau, akademika RAN Alekseya Starobinskogo predlozhili novoe opisanie kosmologicheskoi postoyannoi, ona zhe temnaya energiya. V razrabotannoi fizikami modeli kosmologicheskaya postoyannaya ne yavlyaetsya neizmennoi, a medlenno raspadaetsya na temnuyu materiyu, i skorost’ etogo protsessa ne zavisit ot vneshnikh uslovii, a podchinyaetsya isklyuchitel’no vnutrennim svoistvam samoi temnoi energii. Takaya model’ pozvolyaet ob’yasnit’ anomaliyu v nablyudaemykh parametrakh krasnykh smeshchenii. Stat’ya uchenykh opublikovana v zhurnale Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Preprint mozhno naiti na saite arXiv.org.

Temnaya materiya i temnaya energiya vmeste sostavlyayut okolo 95% vsego veshchestva Vselennoi – i pri etom uchenye malo znayut o nikh. «Temnye» sostavlyayushchie Vselennoi ne ispuskayut i ne pogloshchayut elektromagnitnoe izluchenie, v tom chisle svet, poetomu nablyudat’ ikh neposredstvenno nevozmozhno. S drugimi sostavlyayushchimi Vselennoi temnaya materiya i temnaya energiya vzaimodeistvuyut tol’ko siloi gravitatsii. No imenno eti dve komponenty vo mnogom opredelyayut svoistva Vselennoi – naprimer, ee rasshirenie obuslovleno svoistvami temnoi energii, a imenno tem, chto ona obladaet otritsatel’nym davleniem. Po modulyu ono pochti ravno plotnosti energii Vselennoi – to est’, fakticheski, ee masse. Massivnaya Vselennaya stremitsya «skhlopnut’sya», no otritsatel’noe davlenie «rabotaet» v protivopolozhnom napravlenii, i v itoge gravitatsiya temnoi energii rastalkivaet materiyu Vselennoi.

Razobravshis’, chto predstavlyayut soboi «temnye» komponenty Vselennoi, fiziki smogut tochnee opisat’ ee zakony. No poka uchenye ne znayut dazhe mnogikh bazovykh faktov: naprimer, neizvestno, stabil’na temnaya energiya ili so vremenem ona mozhet raspadat’sya. Dolgoe vremya schitalos’, chto temnaya materiya neizmenna – to est’ ee plotnost’ ostaetsya postoyannoi na protyazhenii milliardov let. Prosteishei model’yu temnoi energii yavlyaetsya predlozhennaya Einshteinom kosmologicheskaya postoyannaya.

«Esli Einshtein prav na 100%, to temnaya energiya neizmenna i vechna. No chto, esli on prav tol’ko, skazhem, na 99,99%? – zadaetsya voprosom Aleksei Starobinskii. – Temnoi energii v prirode tak mnogo, chto esli by dazhe nichtozhnaya dolya ee za 14 milliardov let, proshedshikh s perioda Bol’shogo Vzryva, raspalas’ na izvestnye elementarnye chastitsy, v tom chisle na fotony – kvanty sveta, to eto byl by kolossal’nyi novyi istochnik poleznoi dlya chelovechestva energii».

Nablyudeniya pokazyvayut, chto sovremennaya temnaya energiya kachestvenno ne otlichaetsya ot pervichnoi temnoi energii, kotoraya sushchestvovala na samykh rannikh etapakh zhizni Vselennoi do Bol’shogo Vzryva i podderzhivala inflyatsionnuyu stadiyu ee uskorennogo rasshireniya – khotya kolichestvenno ikh plotnosti energii raznyatsya kolossal’no. Pervichnaya temnaya energiya zavedomo byla metastabil’noi i davno raspalas’. Eto pozvolyaet predpolozhit’, chto i sovremennaya temnaya energiya mozhet byt’ nestabil’noi i raspadat’sya. Sama po sebe eta gipoteza ne nova. Vpervye ee predlozhil zamechatel’nyi sovetskii uchenyi Matvei Bronshtein eshche v 1933 godu. On predpolagal, chto kosmologicheskaya postoyannaya raspadaetsya na vidimuyu materiyu. Odnako posleduyushchie nablyudeniya pokazali, chto takoi stsenarii skoree vsego nevozmozhen. «Kuda bol’she interesnykh vozmozhnostei seichas predstavlyayut kanaly raspada na razlichnye «temnye» komponenty Vselennoi, sushchestvovanie i kolichestvo kotorykh mozhno obnaruzhit’ tol’ko po ikh vkladu v gravitatsionnoe pole Vselennoi – podobno tomu, kak my obnaruzhivaem i izmeryaem elektricheskii zaryad tel po sozdavaemomu imi elektricheskomu polyu» – govorit Starobinskii.

V poslednee desyatiletie bylo predlozheno mnogo teoreticheskikh modelei vzaimodeistviya razlichnykh vidov temnykh komponent, odnako nablyudeniya ikh ne podtverzhdayut. Bolee togo, kak otmechayut v stat’e Starobinskii i kollegi, do sikh por ne byl rassmotren naibolee estestvennyi i postoyanno vstrechayushcheisya v prirode raspad – analogichnyi radioaktivnomu raspadu neustoichivykh yader i elementarnykh chastits. «Naibolee vazhnoe obshchee svoistvo takogo raspada – nezavisimost’ skorosti raspada i vremeni poluraspada ot vneshnikh uslovii. Eti velichiny opredelyayutsya tol’ko vnutrennimi svoistvami chastits i yader», – ob’yasnyaet Starobinskii. V sluchae temnoi energii skorost’ ee raspada ne zavisit ot takikh uslovii, kak skorost’ rasshireniya Vselennoi, ee vozrast i plotnost’ materii v nei.

V svoei rabote fiziki rassmotreli tri vozmozhnykh kanala raspada temnoi energii. Pervyi podrazumevaet, chto ona raspadaetsya v tochnosti kak radioaktivnye yadra – po eksponentsial’nomu zakonu – na nechto, podobnoe ei samoi (to est’ besstrukturnoe), no imeyushchee drugoe uravnenie sostoyaniya. Vo vtorom sluchae predpolagaetsya, chto temnaya energiya perekhodit v real’no sushchestvuyushchuyu temnuyu materiyu. Soglasno tret’emu variantu, temnaya energiya raspadaetsya na gipoteticheskoe temnoe izluchenie, kotoroe kachestvenno pokhozhe na obychnoe izluchenie, no sostoit iz drugikh bezmassovykh ili ochen’ legkikh chastits, prakticheski ne vzaimodeistvuyushchikh s vidimoi materiei.

«Analiz pokazal, chto vtoraya model’ luchshe ostal’nykh pozvolyaet ob’yasnit’ kak sushchestvuyushchie kosmologicheskie parametry nablyudaemoi Vselennoi, tak i ee evolyutsiyu v proshlom. Iz nee vytekaet, chto vremya poluraspada temnoi energii po etomu kanalu ne menee, chem v 17 raz prevoskhodit vozrast Vselennoi. Drugimi slovami, esli raspad temnoi energii na temnuyu materiyu i proiskhodit, to on idet ochen’ medlenno», – poyasnyaet Starobinskii poluchennye rezul’taty.

Predlozhennaya fizikami model’ raspada temnoi energii na temnuyu materiyu khorosho opisyvaet nebol’shoe otklonenie zakona rasshireniya Vselennoi v proshlom ot standartnoi kosmologicheskoi modeli, kotoroe nedavno obnaruzhili frantsuzskie astronomy. Standartnaya kosmologicheskaya model’ predpolagaet, chto kosmologicheskaya postoyannaya strogo neizmenna. Proverit’, tak li eto, mozhno, izmeryaya tak nazyvaemye barionnye ostsillyatsii – opredelennye korrelyatsii v prostranstvennom raspredelenii dalekikh ob’ektov, naprimer galaktik ili kvazarov. Eti korrelyatsii voznikayut iz-za togo, chto v dalekom proshlom, v epokhu goryachego Bol’shogo Vzryva Vselennaya byla odnorodnoi i izotropnoi (takaya «gladkost’» – sledstvie predshestvovavshei Bol’shomu Vzryvu inflyatsionnoi stadii uskorennogo rasshireniya). Iz-za etogo zvukovye volny neodnorodnosti materii v pervichnoi plazme okazyvayutsya ne begushchimi, a stoyachimi. Prakticheski zhe barionnye ostsillyatsii ispol’zuyutsya kak instrument dlya opredeleniya skorosti rasshireniya Vselennoi v proshlom.

I okazalos’, chto dlya gruppy kvazarov so srednim krasnym smeshcheniem z = 2.34 (eto primerno sootvetstvuet vozrastu Vselennoi 2,7 milliarda let) nablyudaetsya otklonenie, sootvetstvuyushchee men’shei skorosti rasshireniya Vselennoi, chem predskazyvaet standartnaya kosmologicheskaya model’.

Esli nezavisimye nablyudeniya barionnykh ostsillyatsii v bolee obshirnykh gruppakh dalekikh galaktik i kvazarov, a takzhe drugie testy ne oprovergnut etot rezul’tat, ego mozhno budet schitat’ podtverzhdeniem modeli Starobinskogo i kolleg. I v etom sluchae teoreticheskie raschety fizikov predskazyvayut, chto vremya poluraspada temnoi energii na temnuyu materiyu konechno i sostavlyaet primerno 450 milliardov let.