Представление художника о тех временах Вселенной, в которые формировались первые звёзды. Из-за их света и слияний они будут испускать излучение, как электромагнитное, так и гравитационное. Но способно ли преобразование материи в энергию создавать антигравитацию?
На пути нашего познания Вселенной встречаются загадки, ответ на которых пока никому не известен. Тёмная материя, тёмная энергия, космическая инфляция – все эти идеи неполны, и мы не знаем, какого типа частицы или поля отвечают за них. Вполне возможно, хотя большая часть профессионалов считает это маловероятным, что одна или несколько из этих загадок могут иметь нестандартное решение, которое никто из нас не ожидает.
Впервые в истории колонки «Спросите Итана» я получил вопрос от нобелевского лауреата — Джона Кромвелла Мазера – который хочет знать, не могут ли звёзды, преобразуя массу в энергию, отвечать за эффекты, приписываемые тёмной энергии:
Что происходит с гравитацией, которую оказывает исчезающая масса, в процессе преобразования её в свет и нейтрино путём ядерных реакций, происходящих в звёздах, или когда масса собирается в чёрную дыру, или когда она превращается в гравитационные волны? Иначе говоря, являются ли гравитационные волны, электромагнитные волны и нейтрино источником гравитации, точно совпадающим с существовавшей до этого массой, которая в них превратилась, или нет?
Потрясающая идея. Давайте разбираться, почему.
Художественная иллюстрация слияния двух нейтронных звёзд. Покрытая волнами сетка пространства-времени представляет испущенные во время столкновения гравитационные волны, а лучи – это струи гамма-излучения, выстреливающие через несколько секунд после гравитационных волн (астрономы обнаруживают их в виде гамма-всплесков). В подобном событии масса превращается в два типа излучения.
В Эйнштейновской общей теории относительности модель Вселенной, дающую точные решения, можно построить всего несколькими способами. Мы можем точно описать пространство-время в абсолютно пустой вселенной. Если разместить в пустой вселенной единственную массу, задача станет гораздо сложнее, но решение всё равно можно будет записать. А если поместить вторую массу в такой вселенной, задача уже не решится. Мы можем лишь делать оценки, и пытаться прийти к численному решению. Это раздражающе сложное свойство пространство-времени, то, что его так тяжело точно описать, и заставляет нас задействовать такие огромные компьютерные мощности, усилия в теоретических изысканиях, и тратить столько времени, чтобы правильно смоделировать слияние чёрных дыр и нейтронных звёзд, зафиксированные LIGO.
Работу гравитации определяет не только расположение и величина масс, но и то, как эти массы двигаются относительно друг друга и ускоряются в изменяющемся со временем гравитационном поле. В ОТО систему, содержащую более одной массы, точно решить не получается.
Один из немногих случаев, в которых мы можем найти точное решение, описывает вселенную, заполненную равным количеством «вещества» повсюду и во всех направлениях. Совершенно неважно, что это за «вещество». Это может быть набор частиц, жидкость, излучение, свойство самого пространства, поле с нужными свойствами. Это может быть смесь разных вещей, например, нормальной материи, антиматерии, нейтрино, излучения, и даже загадочной тёмной материи и тёмной энергии.
Если это описывает вашу вселенную, и вы знаете, в каких пропорциях у вас есть все эти субстанции, вам нужно лишь измерить скорость расширения вселенной. После этого вы сразу узнаете, как она расширялась всю свою жизнь, и будет расширяться в будущем. Если вы знаете, из чего состоит вселенная, и как она расширяется сегодня, вы можете выяснить судьбу всей вселенной.
Ожидаемые варианты развития Вселенной (три верхние) соответствуют вселенной, в которой материя и энергия борются с изначальной скоростью расширения. В нашей наблюдаемой Вселенной космическое ускорение связано с неким типом тёмной энергии, в настоящий момент необъяснённым. Все эти вселенные управляются уравнениями Фридмана.
Проводя эти расчёты на основании наблюдаемой нами сегодня Вселенной, мы получаем, что она состоит из:
- 68% тёмной энергии,
- 27% тёмной материи,
- 4,9% нормальной материи,
- 0,1% нейтрино,
- 0,01% излучения,
И пренебрежимо малого количества других составляющих: кривизны, антиматерии, космических струн, и всего остального, что можно себе представить. Общая неопределённость в количествах перечисленных компонентах не превышает 2%. Также мы узнали судьбу Вселенной – то, что она будет вечно расширяться – и её возраст: 13,8 млрд лет с Большого взрыва. Это замечательное достижение современной космологии.
Иллюстрированная временная шкала истории Вселенной. Если количество тёмной энергии достаточно мало, чтобы позволить первым звёздам сформироваться, тогда появление во Вселенной нужных для жизни ингредиентов оказывается практически неизбежным. И наше с вами существование подтверждает этот факт.
Но все эти расчёты проводятся на основе нашей модели Вселенной, приближенной к равномерному распределёнию субстанций по всей Вселенной во всех направлениях. В реальной Вселенной, как вы могли заметить, всё комкуется. Существуют планеты, звёзды, сгустки газа и пыли, плазмы, галактики, скопления галактик, и соединяющих их великие космические нити. Существуют огромные космические войды, простирающиеся иногда на миллиарды световых лет. Математически идеально равномерная вселенная называется гомогенной, и наша Вселенная удивительно негомогенна. Возможно, что все наши представления, на основании которых мы сделали указанные выводы, неверны.
Симуляции (красный) и наблюдения галактик (синий/пурпурный) демонстрируют одинаковые рисунки скоплений на крупных масштабах. На мелких масштабах Вселенная негомогенна.
Однако на крупнейших масштабах Вселенная гомогенна. Если посмотреть на мелкие масштабы, размера звезды, галактики или галактического скопления, вы обнаружите наличие участков сильно большей или меньшей плотности по сравнению со средним значением. Но если изучать масштабы размером от 10 млрд световых лет, то Вселенная кажется в среднем примерно одинаковой во всех местах. На крупнейших масштабах Вселенная гомогенна более чем на 99%.
К счастью, мы можем численно оценить, насколько хорошими (или плохими) получаются наши предположения, подсчитав результат воздействия негомогенных возмущений поверх крупномасштабной гомогенности. Я и сам делал такие расчёты в 2005-м, и обнаружил, что вклад негомогенности в скорость расширения не превышает 0,1%, и что она не ведёт себя, как тёмная материя.
Дробные вклады гравитационной потенциальной энергии W (линия длинным штрихом) и кинетической энергии K (сплошная линия) в общую плотность энергии Вселенной, построенные как функция от прошлого и будущего расширения Вселенной, где есть материя, но нет тёмной энергии. Линией с коротким штрихом обозначена сумма вкладов негомогенных факторов. Пунктирные линии показывают результаты, полученные из теории линейных возмущений.
Но с этими расчётами связана ещё одна возможность – определённые типы энергии со временем могут переходить из одной формы в другую. В частности, благодаря:
- сжиганию ядерного горючего внутри звёзд,
- гравитационным коллапсам облаков, превращающихся в плотные объекты,
- слиянию нейтронных звёзд и чёрных дыр,
- сближению по спирали многих гравитационных систем,
материя, или масса, может превращаться в излучение, или энергию. Иначе говоря, возможно менять поведение гравитации во Вселенной, и влиять на её расширение (или сжатие) со временем.
Хотя мы наблюдали слияние чёрных дыр во Вселенной множество раз, нам известно, что их существует ещё больше. LISA позволит нам предсказать, иногда за несколько лет, когда именно произойдёт слияние сверхмассивных чёрных дыр.
Когда две чёрные дыры сливаются вместе, довольно значительная часть массы может превратиться в энергию: плоть до 5%. В первом слиянии двух чёрных дыр, обнаруженном LIGO, ЧД в 36 солнечных масс и ЧД в 29 солнечных масс слились, и образовали одну ЧД массой в 62 солнечных. Что случилось с 3 солнечными массами? Они превратились в энергию в виде гравитационных волн, согласно Эйнштейновскому E = mc2.
Следовательно, вопрос сводится к следующему: как переход от массы к излучению влияет на расширение Вселенной? В своей недавней работе Ник Горькавый и Александр Васильков заявляют, что она способна создать отталкивающую, антигравитационную силу.
Компьютерная симуляция слияния двух чёрных дыр, порождающего гравитационные волны. Когда масса превращается в излучение, возможно ли появление силы отталкивания?
К сожалению, это заявление основано на том, что лишь кажется антигравитацией. Когда у нас есть определённое количество массы, мы испытываем определённое гравитационное притяжение к ней: это справедливо и в теории Эйнштейна, и в теории Ньютона для гравитации. Если превратить массу в энергию и излучать её наружу со скоростью света, с которой движется всё безмассовое излучение, то, когда это излучение будет пролетать мимо нас, мы обнаружим, что сила притяжения к массе внезапно ослабла.
Кривизна пространства-времени изменяется, и там, где мы сначала испытывали гравитационное притяжение определённой величины, мы начнём испытывать притяжение на 5% меньшее. Математически это эквивалентно появлению отталкивающей, антигравитационной силы к системе. Но на самом деле вы будете испытывать это уменьшенное притяжение из-за превращения массы в энергию, а гравитация излучения действует по-другому (особенно, когда оно прошло мимо вас). Это было описано вполне чётко [в ответе на вышеуказанную работу].
Любой объект или форма, физическая или нефизическая, будет искажена, когда сквозь неё пройдут гравитационные волны. Каждый раз, когда одна большая масса движется с ускорением сквозь участок искривлённого пространства-времени, неизбежным следствием этого движения становятся гравитационные волны. Однако мы можем подсчитать влияние этого излучения на пространство, и оно не приводит ни к отталкиванию, ни к ускоренному расширению.
Мы можем пойти ещё дальше и подсчитать, как это преобразование влияет на всю Вселенную! Мы можем численно оценить вклад гравитационных волн в плотность энергии Вселенной, и какую часть энергии Вселенной составляет излучение всех видов. Излучение, как и масса, квантуется, поэтому с увеличением объёма Вселенной (как расстояния в кубе), плотность частиц уменьшается (обратно пропорционально кубу расстояния). Но, в отличие от массы, у излучения есть длина волны, а с расширением пространства эта длина увеличивается, а частота уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Излучение становится гравитационно менее важным быстрее, чем материя.
Ещё нам необходимо получить корректное уравнение состояния. Материя и излучение изменяются со временем, но тёмная энергия поддерживает постоянную плотность во всём пространстве при расширении Вселенной. Двигаясь вперёд по времени, мы видим, что проблема становится только хуже; тёмная энергия всё больше доминирует, материя и излучение становятся всё менее важными.
Материя и излучение осуществляют притягивающую силу и замедляют Вселенную, но ни одно из этих явлений не может оставаться доминирующим по плотности энергии, пока Вселенная расширяется.
Голубой закрашенный участок – возможные неопределённости в плотности тёмной энергии в прошлом и будущем. Данные указывают на то, что это – истинная космологическая константа, при этом мы не отказываемся от иных возможностей. К сожалению, преобразование материи в энергию неспособно играть роль тёмной энергии; то, что раньше вело себя, как материя, теперь ведёт себя, как излучение.
Если мы хотим создать Вселенную с ускоренным расширением, то, судя по наилучшим нашим знаниям, потребуется новая форма энергии, отличная от уже известных. Мы назвали эту форму тёмной энергией, хотя и не уверены на 100% в её природе.
Однако несмотря на наше невежество в этой области, мы можем весьма чётко определить, чем тёмная энергия не является. Это не звёзды, сжигающие своё топливо; это не материя, испускающая гравитационные волны; это не последствия гравитационного коллапса; это не результат слияний или сближений по спирали. Возможно, что какой-нибудь новый закон тяготения в итоге заменит законы Эйнштейна, но в контексте ОТО невозможно объяснить при помощи известной физики наши сегодняшние наблюдения. Нам предстоит открыть что-то по-настоящему новое.
Автор: Вячеслав Голованов
