Фундаментальна фізика та високоенергетичні явища у Всесвіті

 

В.І.Жданов, акад. АН вищої школи України

 

Обговорено роль астрофізичних та космологічних досліджень як рушійної сили теорії фундаментальних взаємодій. Подано короткий огляд проблем, що виникають в астрономії при розгляді темної матерії, темної енергії, космічних променів надвисоких енергій, а також у зв’язку з реєстрацією гравітаційних хвиль.

 

1.      Вступ.

Приблизно 20 років тому в астрономії відбулися революційні зміни уявлень про будову Всесвіту. Ці досягнення мали значний резонанс не тільки серед колег з вузького напрямку, але й у суміжних науках, і навіть набули широкого розголосу у суспільній свідомості. Їх наслідком стало впровадження у науковий вжиток таких понять, як "темна матерія" (ТМ) і "темна енергія" (ТЕ). Але, можливо, найбільш вражаючим для пересічної людини є висновок, що звичні і добре вивчені форми матерії, з яких побудовані зірки, планети, все, що нас оточує, – складають лише невелику частку усієї матерії у Всесвіті. Адже раніше панувала думка, що звичайна (баріонна) матерія є головною і на космологічних масштабах.

У цьому виступі ми коротко нагадаємо про найбільш важливі досягнення у цій царині за останні 20 років та окреслимо деякі напрямки.

 

2.      Темна енергія.

Вирішальний прорив до нового розуміння будови Всесвіту відбувся у 1997-1999 роках минулого століття. Основну роль у цьому відіграли спостереження спалахів наднових зірок типу 1а, а також вимірювання анізотропії космічного мікрохвильового («реліктового») випромінювання. Ці результати постійно уточнюються, але принципові моменти залишаються незмінними. За останніми результатами космічної місії PLANK визначено [1], що приблизно 69% середньої густини маси-енергії Всесвіту дає темна енергія; з 31%, що залишається, звичайна (баріонна) матерія займає 5%, а решту 26% складає «темна матерія». ТМ і ТЕ ідентифікують лише за гравітаційними впливами; якісь інші взаємодії цих компонент Всесвіту з іншими типами матерії чи між собою наразі невідомі. Сучасні підходи у дослідженнях ТМ і ТЕ відображено у монографіях [2–6], далі ми використовуємо цю інформацію.

У загальному контексті темною енергією називають причину прискорення космологічного розширення. Її пов’язують з космологічною сталою L в рівняннях загальної теорії відносності (ЗТВ) Ейнштейна, що складають основу сучасної космології. ТЕ заповнює весь Всесвіт, її густина всюди однакова. На відміну від цього, ТМ розподілена неоднорідно, вона концентрується навколо галактик та в їх скупченнях. ТМ і ТЕ мають різні рівняння стану; вони по-різному проявляють себе у кутовому розподілі температури реліктового випромінювання, у залежності червоного зміщення від відстані до далеких джерел, в інших астрономічних даних.

На цей час майже всі сучасні дані про Всесвіт можуть бути описані за допомогою так званої LCDM-моделі з космологічною сталою L та холодною темною матерією. Разом із тим в теорії з незмінною сталою L виникають інші проблеми. Тут, зокрема, важко пояснити спостережувану високу ізотропію температури реліктового випромінювання (відносна величина флуктуацій ), а також чому тривимірна геометрія Всесвіту є плоскою на космологічних масштабах. Для вирішення цих проблем припускають, що L є проявом деяких фізичних полів, які обумовили набагато більше значення L у минулому [2-4]. Що це за поля, дія яких потужно проявляє себе у ранньому Всесвіті? Теоретичних моделей таких полів можна побудувати багато; є підходи, що використовують гіпотезу багатовимірного Всесвіту, а також модифікації ейнштейнівської ЗТВ. Тим не менш, існує певний консенсус щодо того, що ці космологічні поля забезпечили дуже швидке роздування, «інфляцію Всесвіту», у найперші миті космологічного розширення (до ). Саме інфляційна стадія забезпечила високу ізотропію реліктового випромінювання, однорідність та «плоскостність» Всесвіту на масштабах більше декількасот мегапарсек.

 

3.      Гравітаційне випромінювання.

На жаль, спостережні дані поки що не дають можливостей для однозначного вибору між різними моделями динамічної ТЕ. Єдиний вихід – аналізувати варіанти цих моделей, їх спостережні ефекти, перевіряти їх самоузгодженість в очікуванні результатів нових експериментальних програм. Одним з шляхів є пошук можливих сигналів динамічної ТМ в околі високоенергетичних астрофізичних об’єктів з сильним гравітаційним полем або для відбракування нежиттєздатних теорій. Тут нещодавня реєстрація гравітаційних хвиль відкриває нові горизонти.

Про першу реєстрацію гравітаційно-хвильового сигналу системою LIGO[1] було повідомлено у лютневому 2016 року випуску журналу Physical Review Letters [7]. Уперше (у вересні 2015 року) зареєстровано гравітаційно-хвильовий сплеск, форма якого відповідає теоретичним очікуванням, основаним на ЗТВ. Уперше відбулося пряме спостереження злиття двох чорних дір. Зазначимо, ще це – не єдина реєстрація подібного; пізніше LIGO зареєструвала ще один такий сплеск. Зважаючи на численні підтвердження ЗТВ, сумнівів в тому, що гравітаційні хвилі дійсно існують, практично не було. Зокрема, втрати енергії на гравітаційне випромінювання проявляють себе через тонкі ефекти в русі пульсарів – членів подвійних систем зір; відповідні ефекти зараз визначають з відносною похибкою на рівні 0.1% [2,3]. Але, незважаючи на численні спроби, які тривали півстоліття, до кінця 2015 року ще не було прямого детектування гравітаційних хвиль.

Принципово детектор типу LIGO – це дуже точний оптичний інтерферометр, який вимірює відстань  між двома тілами. При проходженні гравітаційної хвилі з амплітудою  ця відстань змінюється на , тому  намагаються зробити якомога більшим. У детекторі LIGO лазерний промінь з довжиною хвилі 1 мікрометр циркулює між дзеркалами інтерферометра, рознесеними на відстань 4 км. Коливання відстані  під дією гравітаційної хвилі, що відповідає злиттю масивних чорних дір, мають характерну частоту від десятків до декількох сотень герц, тому сигнал можна почути, якщо його перевести у звукові коливання. За наведеними даними легко оцінити, що для реєстрації гравітаційної хвилі з  необхідно спостерігати коливання  з амплітудами у тисячу разів меншими ніж радіус протона. Але у лазерному інтерферометрі безпосередньо вимірюваною величиною є зсув фази оптичного променя. Дія гравітаційної хвилі приводить до фазової модуляції оптичного сигналу, звідки, після перетворень, отримують електричні коливання звукової частоти.

Досягнення необхідної чутливості гравітаційних детекторів потребувало вирішення низки складних технічних проблем. Дзеркала інтерферометра мають бути повністю ізольовані від зовнішніх впливів, щоб забезпечити чутливість виключно до збурень кривини простору-часу. Необхідно забезпечити належне юстування дзеркал, високу стабільність частоти лазера при оптимальній його потужності; коефіцієнт відбиття дзеркал має бути близьким до одиниці. Навіть якщо не розглядати факт реєстрації гравітаційного сигналу, створення LIGO – це блискучий технологічний прорив. На цьому шляху було зроблено низку винаходів, частина з яких вже увійшли у практику, частина – очікує свого використання для промислових та дослідницьких потреб. Два детектори, характеристики яких відповідають необхідним вимогам, побудовано у США в Лівінгстоні, штат Мериленд, і у Хенфорді, штат Вашингтон. У вересні 2015 року вони обидва незалежно зареєстрували сигнали однакової форми, які значимо виділялися на фоні завад. У результаті вимірювань форми гравітаційно-хвильового сигналу було визначено основні параметри системи чорних дір, що злилися, та оцінена відстань до неї, яка виявилася більше мільярда світлових років.

Гравітаційно-хвильова астрономія робить перші кроки. На порядку денному – як створення мережі з декількох наземних систем типу LIGO, так і розробка лазерно-інтерферометричних детекторів в космосі, націлених на пошук гравітаційного випромінювання в інших частотних діапазонах. Це все дасть змогу вивчати такі процеси за участю чорних дір та нейтронних зір. Більш віддалена перспектива – реєстрація космологічних реліктових гравітаційних хвиль. Разом з вивченням електромагнітного реліктового випромінювання це дозволить суттєво просунутися у бік розуміння механізмів динамічної ТЕ.

 

4.      Темна матерія.

Наприкінці минулого століття астрономічна спільнота була вже непогано підготовлена до сприйняття нових видів матерії. Ідея про необхідність інфляційного періоду, який пізніше пов'язали з динамічною ТМ, виникла значно раніше, але коло прихильників було обмеженим. Існування додаткової «невидимої» матерії випливає з спостережень руху галактик в скупченнях та зірок в галактиках; але за цими даними важко оцінити глобально-космологічний внесок ТЕ і ТМ. Тому роль результатів спостережень наднових типу 1а та анізотропії реліктового випромінювання велика; це підтверджують дві Нобелівські премії з фізики – 2006 р., за відкриття анізотропії реліктового випромінювання, та 2011 р. – за відкриття прискореного розширення Всесвіту. Втім, у LCDM-моделі густина баріонної та холодної темної матерії входять разом; на перших етапах їх внесок не було відокремлено на основі лише зазначених спостережень. Тому також велика роль і незалежної (і наразі досить точної) оцінки первинного вмісту баріонної матерії, яку можна зробити з використанням спостережень розподілу елементів у Всесвіті. Теоретичне моделювання ядерних реакцій в гарячому Всесвіті дозволяє зв'язати відносний вміст водню, дейтерію, гелію з концентрацією баріонів. Чим більше ця концентрація в ранньому Всесвіті, тим активніше йдуть ядерні реакції, в яких утворюються гелій та дейтерій, і навпаки. Тут працює ядерна фізика, яка добре перевірена в наземних умовах.

Одним з основних джерел інформації про розподіл ТМ на масштабах галактик та їх скупчень є аналіз руху видимої матерії, який дає змогу оцінити діючі на неї гравітаційні поля. Наприклад, спостереження кінематики зір та галактик дає змогу оцінити розподіл усіх мас, які створюють гравітаційне поле. У перспективі набуває значення ще один метод, який використовує вплив гравітаційного поля на поширення електромагнітного випромінювання – «гравітаційне лінзування» (див., напр., [5]). Завдяки ефектам загальної теорії відносності гравітаційне поле деформує зображення віддаленого світного об'єкту; також поле може збільшувати зображення віддалених об'єктів. Розв’язання оберненої задачі – визначення за цими ефектами розподілу мас джерел поля –дає інформацію і про розподіл ТМ. Отримані на цьому шляху результати спостережень скупчення галактик "Куля" поставили хрест на деяких альтернативних теоріях гравітації.

            Незважаючи на численні дослідження, досі немає однозначної відповіді на питання: з чого складається ця небаріонна ТМ? Основні типи «кандидатів на темну матерію» умовно ділять залежно від швидкостей їх руху на гарячі (гаряча ТМ, легкі частинки, які рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла), холодні (холодна ТМ, що домінує у більшості робіт, здебільшого це – важкі частинки, що рухаються з нерелятивістськими швидкостями) і теплі (тепла ТМ, частинки проміжних мас і швидкостей ). Як виявляється, тип частинок ТМ впливає на розподіли густини маси у центрі галактик; таким чином, астрономічні дослідження можуть дати інформацію про мікроструктуру ТМ. Вивчення зв’язку між властивостями частинок ТМ та формуванням галактичних структур складає виклик для фахівців з комп’ютерних наук, оскільки подібні розрахунки у перспективі повинні оперувати з координатами та імпульсами  частинок.

Але все ж для того, щоб зрозуміти, з чого складається ТМ, бажано мати пряме експериментальне виявлення якщо не самих її частинок, то хоча б їх «слідів». Існує кілька варіантів здійснення таких пошуків – на прискорювачах або шляхом реєстрації частинок, що прилітають з космосу. Якщо існує хоча б слабка взаємодія частинок ТМ з речовиною, зіткнення частинок темної матерії з атомними ядрами в принципі можливо зареєструвати; для цього необхідно детектувати вторинні частки, що виникли в результаті цієї взаємодії.

Ще один напрямок – пошук сигналів ТМ з областей підвищеної густини, наприклад, в центрі нашої Галактики або в скупченнях галактик. Є гіпотези щодо можливих реакцій частинок ТМ в результаті яких з’являються рентгенівські або гама-фотони. Для пошуку таких фотонів використовують дані космічних місій XMM-Newton, Swift та інших. Втім, досі, після низки спроб та помилок, незважаючи на непідтверджені повідомлення про сигнали ТМ, однозначного результату, який би задовольнив усіх дослідників, немає. Незважаючи на численні лабораторні пошуки частинок ТМ, на даний момент лише астрономічні дані є єдиними свідками її існування. 

Пошук сигналів ТМ перетинається з дослідженнями космічних променів надвисоких енергій (КПНЕ, до ~1021eV), які впевнено реєструють у наземних обсерваторіях. КПНЕ унікальні хоча б тому, що їх енергія на багато порядків перевищує можливості сучасних прискорювачів частинок з Великим адронним колайдером включно. Це відкриває можливості для нових перевірок сучасної теорії сильних взаємодій. Важливо відзначити, що повної ідентифікації джерел КПНЕ немає: інколи подію реєстрації вдається зв’язати з галактичними об’єктами чи джерелами в сусідніх галактиках, інколи КПНЕ виявляють у напрямку, де жодних звичайних джерел нібито немає. Заманливо припустити, що частина космічних променів генерується внаслідок процесів у темній матерії в гало Галактики.

 

5.      На закінчення

У результаті досліджень, проведених за останні два десятиліття, визначені найбільш важливі характеристики глобальної структури Всесвіту. Але склад і властивості ТМ і ТЕ на мікрорівні залишаються невивченими, хоча цілком можливо, що спільний пошук, розпочатий фізиками і астрономами, дасть свої плоди в цьому напрямку вже в найближчі роки. Відкриття ТМ і ТЕ, інші астрономічні проблеми поставили низку запитань, які вимагають спільних зусиль фахівців з різних галузей фундаментальних наук. Зараз немає остаточної відповіді на питання, чи потрібна "нова фізика" для розуміння багатьох високоенергетичних астрофізичних об’єктів та явищ, таких, як потужне випромінювання активних ядер галактик, космічні промені надвисоких енергій, вибухові астрофізичні процеси.  Фактично, йдеться про перевірки теорій фундаментальних взаємодій та пошук меж застосування існуючих теоретичних уявлень. Заплановані на найближчі часи наукові програми, як космічні, так і наземні, відкрили еру прецизійної космології, яка потребує як високої точності спостережень, так і тонких теоретичних передбачень, як будуть підживлювати і інші сфери астрономії та фізики, зокрема, фізики елементарних частинок і квантової теорії поля.

Результати напряму мають не тільки наукове, але й велике світоглядне значення, оскільки стосуються принципових питань існування, будови та походження Всесвіту. Такі питання завжди були предметом підвищеного суспільного інтересу. З іншого боку, дослідження у цій царині проходять в умовах інтенсивної міжнародної конкуренції, яка вимагає дотримання високих наукових стандартів і задає еталон для системи освіти та науки.

 

1.       Planck Collaboration; Ade, P. A. R. et al. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Astron. Astrophys., V. 571, id.A16 (2014). 

2.       Яцків Я.С., Александров О.М., Вавилова І.Б. [та ін.] Загальна теорія відносності: горизонти випробувань.  – Київ: ВАІТЕ. – 2013.

3.       Александров А.Н., Вавилова И.Б., Жданов В.И. [и др.] Общая теория относительности: признание временем. - K.: Наукова Думка. – 2015.

4.       Novosyadlyi B., Pelykh V., Shtanov Yu., Zhuk A. Dark energy and dark matter in the universe: in three volumes / Ed. V. Shulga. – V. 1: Dark energy: Observational evidence and theoretical models. K.: Akademperiodyka. – 2013.

5.       Shulga V., Zhdanov V, Alexandrov A. et al.  Dark energy and dark matter in the universe: in three volumes / Ed. V. Shulga. – V.2: Vol. 2. Dark matter: Astrophysical aspects of the problem. K.: Akademperiodyka.2014.

6.       Vavilova I.B., Bolotin Yu.L., Boyarski A.M., et al. Dark energy and dark matter in the universe: in three volumes / Ed. V. Shulga. – V.3: Vol. 2. Dark matter: Observational manifestation and experimental searches. K.: Akademperiodyka.2015.

7.       Abbott B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116, id. 061102 (2016) .



[1] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory