II. Изменение влияния темной энергии
Если мы имеем гигантский набор данных по сверхновым на разных красных смещениях, мы можем посмотреть детали изменения влияния темной энергии в различные космологические эпохи. И тогда мы можем что-то сказать об этой силе, действующей на всю Вселенную в целом. Но для этого нам нужно постоянно следить за небом, искать [tooltip word="сверхновые типа 1a" text="подкатегория сверхновых звезд — результат взрыва белого карлика"] — это двойные системы, где есть белый карлик — стандартная звезда — и вторая звезда, с которой перетекает газ, и через некоторое время белый карлик взрывается. Масса стандартная, вспышка практически стандартная — получается стандартная свеча. В этих условиях мы можем оценивать расстояние и скорость расширения Вселенной в соответствующую эпоху. Такие эксперименты идут сейчас и могут пролить свет на природу темной энергии. Проблема состоит только в том, что таких стандартных свеч зафиксировано мало и ничтожно мало их на красных смещениях больше 1,5, когда возраст Вселенной был меньше 4 миллиардов лет.
III. Темная материя
Наряду с темной энергией, представляющей некоторое воздействие на большие масштабы Вселенной (более 200 миллионов световых лет), есть и другая загадочная субстанция, которую исследуют астрофизики и физики, — это темная материя. Темная материя — это, скорее всего, вещество, состоящее из нейтральных частиц. «Скорее всего» — потому что точно мы этого не знаем. Оно не участвует в электромагнитных взаимодействиях, и его влияние наблюдается на масштабах галактик и бо́льших объектов — скоплений галактик и крупномасштабной структуры. Есть несколько эффектов, которые позволяют увидеть распределение темной материи в пространстве — это искривление самого пространства и в результате искажение изображений галактик гигантскими гравитационными линзами — скоплениями галактик. Распределение темной материи можно увидеть и по вращению спиральных галактик — по распределению скоростей звезд. В крупномасштабной структуре Вселенной все видимое вещество следует распределению темной материи, которой примерно в 5–6 раз больше, чем видимой. По данным наблюдений взаимодействия скоплений галактик, в которых облака темной материи прошли сквозь друг друга, а межгалактический газ не провзаимодействовал (как в скоплении Пуля), а также по наблюдениям неодинакового соотношения массы видимого и темного вещества в разных галактиках и скоплениях можно предположить, что темная материя — это не явление поправки к закону притяжения Ньютона, а какой-то вид вещества.
Свойства темной материи изучают астрофизики, например, с помощью карликовых галактик, где возможно проверить, является ли она комбинированной: холодной и теплой, или только холодной, или она многокомпонентна и включает небольшие черные дыры, которые мы почему-то не видим в эффектах микролинзирования. Темную материю ищут и физики: они ставят эксперименты по поиску новых частиц, дополняющих Стандартную модель, например аксионов или стерильных нейтрино. Может быть, лет через десять-двадцать мы узнаем, что это.
IV. Первые звезды
Третий тип наблюдательных экспериментов у астрофизиков — это поиск первых звезд. Оказалось, что можно за маленькие деньги сделать большие открытия. Так открыли вклад первых звезд. Первые звезды были, и это мы независимо знаем из данных реликтового излучения, так как они поляризовали его. Выше мы говорили о вихревой моде поляризации, а есть еще электрическая мода поляризации. Она связана с определенным колебанием электронов и влиянием их на фотоны реликтового излучения. Сами свободные электроны образуются при вторичной ионизации водорода за счет ультрафиолетового излучения первых звезд.
Этот эффект хорошо просчитан, вклад его в реликтовое излучение понятен. По реликтовому излучению решили обратную задачу, определив, что первые звезды образовались спустя 200–400 миллионов лет после Большого взрыва. Но оказалось, что независимо можно посмотреть в других диапазонах, например в метровом диапазоне, где за счет красного смещения удается увидеть излучение нейтрального водорода. Сейчас готовится много подобных экспериментов. Серьезная проблема таких экспериментов — излучение нашей Галактики, которое может привести к путанице при отождествлении источника сигнала. Поэтому результаты измерения излучения в метровом диапазоне, интерпретируемого в рамках модели первых звезд, вызывают широкие дискуссии.
Кроме того, потенциально можно увидеть и взрывы первых звезд в субмиллиметровом диапазоне, куда попадет бо́льшая часть излучения за счет красного смещения. Такие эксперименты обсуждались в программе радиоинтеферометра ALMA (ESO, Чили).
V. Куда делось антивещество ?
Есть еще одна серьезная необъяснимая космологическая загадка, тоже уровня Нобелевской премии, — барионная асимметрия. Мы все состоим из вещества. А как образовалось это вещество? И где антивещество? Почему из ожидаемого симметричного состояния инфлатонного поля, из которого родилась Вселенная, получилось асимметричное распределение вещества? Вещество и антивещество проаннигилировали, образовали фотоны реликтового излучения, которые спустя 380 тысяч лет отделились от вещества и стали лететь свободно. А остатки после аннигиляции, одна миллиардная часть исходной материи, — это и есть наше видимое вещество. Куда делось антивещество — неизвестно. Намеки есть в физике элементарных частиц, но они не проверены.
Теорий может быть много, а проверка должна быть только одна — экспериментальная, на ускорителе частиц. Особенность состоит в том, что непонятно, как можно сгенерировать инфлатонное поле и проверить распад на вещество и антивещество — это уже нестандартная физика, то, что находится за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Но мы знаем, что стандартная физика элементарных частиц неполна. Она не работает, например, при объяснении [tooltip word="осцилляции нейтрино" text="почему один тип нейтрино превращается в другой"], темной материи, темной энергии и барионной асимметрии. В стандартной физике элементарных частиц еще есть что исследовать.