Коли йдеться про значимість провідних наукових досягнень, важливо визначити, як вони віддзеркалюється у суспільній свідомості. Для цього, як мінімум, необхідно, щоб досягнення цього напрямку можна було викласти на рівні, доступному для широкого загалу. Революційні відкриття, які були зроблені в космології наприкінці минулого століття, цілком задовольняють цьому критерію. Їх наслідком стало впровадження у широкий науковий вжиток таких понять, як “темна матерія” і “темна енергія”. Але, можливо, найбільш вражаючим для пересічної людини є висновок, що досі відомі форми матерії складають лише невелику частку усієї матерії у Всесвіті.

Вже школярі старших класів знають, що молекули складаються з атомів, в атомах левову частку маси беруть на себе ядра, де, у свою чергу, домінуючу роль відіграють нуклони, тобто протони та нейтрони. Нуклони є представниками класу баріонів – важких елементарних частинок, що приймають участь в усіх фундаментальних взаємодіях. Протонам та нейтронам належить основна масова частка “звичайної” матерії в зірках та планетах; ці частинки є головними учасниками ядерних реакцій на Сонці і головними складовими живої та неживої матерії на Землі. До певного часу панувала думка, що баріонна матерія відіграє головну роль і у Всесвіті в цілому.

 Ця думка змінилася трохи більше декади тому: було з’ясовано, що баріони відповідають не більше як за 4÷5% середньої густини Всесвіту. Решта – невідомі “небаріонна темна матерія” і “темна енергія”; вони, як вважають, практично (або зовсім) не взаємодіють зі звичайною речовиною і проявляють себе лише через гравітаційну взаємодію. Цей висновок, що базувався на нових спостереженнях, був підготовлений попереднім розвитком фізики і астрономії.

 Новий етап релятивістської космології

 Вирішальний прорив до нового розуміння будови Всесвіту було зроблено за декілька років до кінця минулого століття. З спостережень наднових типу 1а та вимірювань анізотропії реліктового космічного мікро­хвильового випромінювання було визначено, що приблизно 70% середньої густини маси Всесвіту складає так звана “темна енергія”, решта 30% – інші види матерії, з яких 25% складає небаріонна темна матерія.

Це вимагає певних пояснень. Якщо не вдаватися в деталі, “темною енергією” назвали причину прискорення космологічного розширення; її можна трактувати як дуже специфічний вид космологічної рідини з від’ємним тиском. Як це не дивно, саме від’ємний тиск прискорює розширення Всесвіту та дозволяє відрізнити внесок темної енергії від інших видів матерії. Але для того, щоб розрізнити баріонну та небаріонну компоненту, треба додатково залучити дані щодо хімічного складу Всесвіту. Моделювання ядерних реакцій в гарячому Всесвіті дає різні розподіли елементів (водню, дейтерію, гелію тощо) в залежності від густини баріонної компоненти. Визначення первинного розподілу елементів є досить складною задачею, оскільки хімічний склад Всесвіту весь час змінюється. Тим не менш зараз він відомий досить точно. Приємно відзначити, що одну з найкращих у світі експерименталь­них оцінок частки первинного гелію отримано за участю академіка НАН України Ю.І. Ізотова з ГАО НАНУ.

 З огляду на розподіл елементів виявляється, що баріонної матерії може бути не більше 5% від загальної космологічної густини. А як щодо решти 25%? Доводиться віднести її на рахунок невідомої – небаріонної – компоненти, яка дуже слабко, практич­но непомітно, взаємодіє з речовиною.

 Космологічна стала чи нове фізичне поле?

 Формально усі сучасні дані щодо геометрії Всесвіту можна чудово описати за допомогою Стандартної космологічної моделі з ненульовою космологічною сталою (КС) в рівняннях Ейнштейна. Наш Всесвіт розширюється з приско­ренням, він має плоску просторову геометрію, хоча чотиривимірний простір-час має ненульову кривину. Це прискорення буде продовжуватися і надалі.

КС була введена у рівняння гравітаційного поля ще А. Ейнштейном, який хотів побудувати модель стаціонарного Всесвіту. Коли було виявлено, що галактики розбігаються і Всесвіт не є стаціонарним, необхідність введення КС відпала, хоча вона використовувалася в різних теоретичних конструк­ціях. І лише наприкінці минулого століття необхідність КС була експериментально доведена. Член з КС в рівняннях Ейнштейна можна переписати як тензор енергії-імпульсу “космологічного вакууму” з певною густиною маси–енергії, яка і дає переважний внесок у загальну космологічну густину.

Що ж заважає об’явити КС новою фундамен­тальною константою? Виявляється, що в рамках стандартної космології зі незмінною КС неможливо зрозуміти високу ізотропію КМВ: тут напрямки, що відрізняються між собою більше ніж на десяту частку радіана, є причинно незв’язаними. Звідки ж такий збіг температур КМВ, що йде з різних напрямків? Щоб забезпечити належний причинний зв’язок, принаймні треба скасувати незмінність КС! Ймовірно, що КС є проявом невідомих космологічних полів і її величина була на багато порядків більшою, ніж зараз, на початку космологічного розширення.

Картографія Місцевого Всесвіту.

Вибір матеріалу для небаріонної матерії тісно пов’язаний з вивченням розподілу маси від космологічних до галактичних масштабів; наразі це – основний засіб дослідження темної матерії. На масштабах порядку 10 Мпк в околицях нашої Галактики важливим джерелом даних щодо розподілу маси є карликові галактики. У світі галактик вони є “пробними частинками” і спостерігаючи їхні рухи в спільному гравітаційному полі можна відслідковувати маси, що це поле створюють. У зв’язку з цим на рубежі тисячоліть було проведено потужну міжнародну програму, в якій від України брала активну участь д.ф.-м.н. В.Ю. Караченцева з Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка (КНУ). Дослідження проведено разом з вченими Спеціальної Астрофізичної обсерваторії Російської АН під керівництвом д.ф.-м.н. І.Д. Караченцева та у співпраці з великою групою вчених з інституту Макса Планка (ФРН), Інституту Космічного телескопу Хабла (США) та інших закордонних установ. За цією програмою було проведено декількасот експозицій з Хаблівським космічним телескопом, виконано ретельний аналіз раніше проведених спостережень. В результаті було оглянуто 97% всього неба і вперше побудовано детальну тривимірну картину розподілу місцевих галактик. Вимірювання швидкостей та відстаней до них дозволило визначити вміст темної матерії в групах сусідніх галактик; було знайдено, що розподіл темної матерії відслідковує розподіл видимої речовини у місцевому Всесвіті. Ці результати мають важливе космологічне значення.

На закінчення.

Майже до кінця минулого століття космологія спиралася на невелику кількість не дуже точних даних, таких, як приблизне значення сталої Хабла в законі про розбігання галактик. В результаті низки досліджень, проведених за останні п’ятнадцять літ, визначено найбільш важливі характеристики глобальної будови Всесвіту. Але мікросклад темної матерії та темної енергії залишається невідомим, хоча цілком можливо, що спільний пошук фізиків та астрономів дасть свої плоди в цьому напрямку вже у найближчі роки. Фізика мікросвіту значимо впливає на певні макро­скопічні процеси, що вивчає космологія та позагалак­тична астрономія. Це дозволить оцінювати характеристики елементарних частинок з астроно­мічних даних; так, наприклад, було отримано одне з найкращих на цей час обмежень на маси активних нейтрино. Дослідження розподілу міжгалак­тич­ного газу та кутового спектру реліктового випромінювання дасть змогу порівняти різні варіанти так званого “мінімального розширення стандартної моделі”, яке пропонує додаткові типи нейтрино на роль основних частинок темної матерії. На це, зокрема, націлена нова міжнародна програма “Тестування фундаментальної фізики за допомогою космології”, підтримана Швейцарською науковою фундацією. В цій програмі, окрім швейцарських вчених, беруть участь представники наукових установ з України, Росії та Грузії, в тому числі ІТФ НАНУ, ГАО НАНУ та від КНУ.

 Заплановані на найближчі роки наукові програми з використанням космічних та наземних засобів відкривають етап прецизійної космології, коли точні спостереження тонких ефектів живитимуть інші галузі астрономії, а також фізику елементарних частинок та квантової теорії поля. Адже жодні наземні лабораторії чи прискорювачі не забезпечать такі температури та густини енергії, що мали місце у перші миттєвості космологічного розширення! Та й сама першопричина розширення залишається таємницею. Чим більше коло наших знань, тим більше запитань ставить Природа, тим більше межа, де ми зустрічаємось з невідомим. Проблема “темних складових” нашого Всесвіту – яскраве свідчення цієї старої істини.

—————————————-

д.ф.-м.н., проф. Жданов Валерій Іванович,

завідувач відділу астрофізики Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка