Каннибализм темной энергии

Британские и итальянские космологи предложили интересную модификацию стандартной модели нашей Вселенной, которая, по их мнению, позволяет снять ряд недавно выявленных расхождений между этой моделью и данными астрономических наблюдений. Она изложена в статье Валентины Салвателли (Valentina Salvatelli) и ее коллег Indications of a Late-Time Interaction in the Dark Sector, которая недавно была опубликована в журнале Physical Review Letters.

В основе стандартной модели лежит утверждение, что Вселенная имеет плоскую (евклидовскую) или почти плоскую геометрию, которую обычно интерпретируют как следствие эпохи инфляционного расширения пространства, имевшей место вскоре после Большого взрыва. Эта модель также утверждает, что плотность энергии Вселенной обеспечивается несколькими компонентами различной природы. Для начала, это «обычное» вещество, из которого состоят космический газ, космическая пыль и макроскопические тела, такие как звезды и планеты. По данным 2013 года, основанным на результатах европейской космической обсерватории «Планк», доля этой компоненты (ее принято называть барионной) в общем энергетическом балансе Вселенной составляет 4,9%. У нее имеется крошечная радиационная добавка в лице космических фотонов и почти безмассовых нейтрино, чья суммарная доля скорее всего не превышает сотой доли процента.

Куда большая часть плотности космической энергии приходятся на стабильные массивные частицы, которые не несут электрических зарядов и участвуют только в двух из четырех фундаментальных взаимодействий — слабом и гравитационном. Доля этой компоненты, так называемой холодной темной материи, равна 26,8%. Оставшиеся 68,3% приходятся на энергию вакуумного поля, за которой закрепилось название темной энергии. Стандартная модель (точнее, ее основная версия) принимает, что темная энергия не меняется во времени и в пространстве и не взаимодействует ни с барионным веществом, ни с темной материей.

Концепция темной энергии восторжествовала с конца 1990-х годов, когда наблюдения за вспышками сверхновых типа Iа позволили установить, что в течение последних шести-семи миллиардов лет Вселенная расширяется с возрастающим ускорением. Такой тип расширения возможен только при наличии энергии с положительной плотностью, «разлитой» по космическому пространству. Это и есть темная энергия, которая выступает как некий аналог антигравитации (с той разницей, что действует только на пространство, но не на вещество). Признание ее физического существования привело к принятию стандартной модели в качестве господствующей парадигмы новейшей космологии. Точности ради надо отметить, что впервые модель этого типа была изложена в работе оксфордского астрофизика Джорджа Ефстафиу (George Efstathiou) и его соавторов, опубликованной в 1990 году в журнале Nature. По их оценке, доля энергии вакуума должна приближаться к 80%, что не слишком отличается от современного значения.

Хотя стандартная модель в целом хорошо описывает эволюцию Вселенной, в последнее время были выявлены несоответствия между ее выводами и наблюдениями астрономов. Чтобы модель работала, в нее надо заложить данные о составе Вселенной. Оказалось, что если в этом качестве взять параметры, вычисленные на базе новейших результатов обсерватории «Планк», модель будет предсказывать слишком низкие темпы формирования крупномасштабных структур Вселенноцй — галактик и галактических скоплений. Расчетная скорость этих процессов на протяжении второй половины жизни Вселенной расходится с результатами ряда астрономических наблюдений. Поскольку эти структуры формируются под влиянием тяготения, в котором основную роль играет темная материя, можно предположить, что именно с ней связаны причины выявленных затруднений стандартной модели. Проще говоря, дело выглядит так, что темная материя постепенно исчезает.

Эту проблему пытаются разрешить разными способами. Так, можно отказаться от предположения о стабильности темной материи и допустить, что она распадается на фотоны и обычные частицы. Другая версия состоит в том, что в состав темной материи входят гипотетические нейтрино особого рода, которые подчиняются силе гравитации, но не участвуют в слабом взаимодействии (поэтому их называют стерильными). Такие нейтрино, в отличие от уже известных, могут иметь не слишком малые массы и потому должны вносить ощутимый вклад в тяготение темной материи. Однако стерильные нейтрино не только нестабильны, но и не могут считаться холодными частицами. Так что в любом случае стандартную модель приходится сильно модифицировать.

Исследователи из Рима и Портсмута предложили иной выход. Они отказались от допущения, согласно которому темная материя и темная энергия не замечают друг друга. В их модели темная материя действительно исчезает, но не за счет рождения других частиц, а за счет превращения в темную энергию. Из-за этого ее доля в энергетическом балансе Вселенной постепенно падает, а доля темной энергии увеличивается. В результате темпы расширения космического пространства растут, а темпы формирования галактик и галактических скоплений снижаются — что и требовалось. Прикидочные вычисления показывают, что эрозия темной материи могла начаться примерно 8 миллиардов лет назад. Новая модель при надлежащем подборе параметров неплохо согласуется с данными наблюдений.

Я попросил прокомментировать эту работу руководителя департамента астрономии Гарвардского университета Абрахама Лёба и сотрудника Института космических исследований РАН и Астрофизического центра Гарварда и Смитсоновского института Алексея Вихлинина. Профессор Лёб считает, что предложенное решение слишком радикально и сначала надо бы разобраться с тем, нельзя ли объяснить расхождения между стандартной моделью и результатами наблюдений с помощью стерильных нейтрино. Доктор Вихлинин рекомендовал подождать новых данных с «Планка», которые, возможно, позволят отказаться от пересмотра стандартной модели. Так что оба проявили здоровый консерватизм — вероятно, сейчас это оптимальная стратегия. В общем, как говорится, будем посмотреть.

В заключение стоит упомянуть, что авторы статьи в Physical Review Letters прогнозируют полное исчезновение темной материи, причем довольно скоро — всего-то через сотню миллиардов лет. При таком раскладе Вселенной суждено расширяться все быстрее и быстрее, безостановочно разрушая гравитационно связанные структуры. Лично меня эта перспектива как-то не радует.

Источник иллюстрации: esa.int