Темная материя и темная энергия

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
И 
ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Яан Эйнасто, А. Д. Чернин 

Электронное издание

Москва, 2022

УДК 52
ББК 22.6

Э-33

Э-33

Эйнасто, Яан Эльмарович.

Темная материя и темная энергия / Я. Эйнасто, А. Д. Чернин ; 
предисловие А. В. Засова. — Эл. изд. — 1 файл pdf : 176 с. — Москва : 
ДМК Пресс, 2022. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-231-1

Книга состоит из двух разделов, в которых подробно рассказывается о 
двух загадочных субстанциях нашей Вселенной, относительно которых до сих 
пор нет единой точки зрения.
Темная материя и темная энергия — две невидимые космические субстанции, на которые в сумме приходится более 95% полной массы/энергии наблюдаемой Вселенной. Их микроскопическая структура неизвестна. Это одна из 
фундаментальных проблем физики и астрономии ХХI века.

УДК 52 
ББК 22.6

Электронное издание на основе печатного издания: Темная материя 
и темная энергия / Я. Эйнасто, А. Д. Чернин ; предисловие А. В. Засова. — 
Москва : ДМК Пресс, 2022. — 174 с. — ISBN 978-5-89818-131-4. — Текст : непосредственный.

На обложке: диаграмма состава наблюдаемой Вселенной.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе 
требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-231-1
© Век 2, 2018
© Переиздание. ДМК Пресс, 2022

Оглавление

Темные субстанции ....................................................................5

Сказание о темной материи ...........................................9
1. Пролог ..................................................................................... 10
2. Эпик и природа галактик ............................................. 11
3. Григорий Кузмин
и проблема локальной темной материи  .................. 15
4. Населения Галактики ....................................................... 22
5. Тыравере в шестидесятых ............................................. 25
6. Модели Галактики ............................................................. 32
7. Парадокс массы в галактиках .................................... 36
8. Массивные короны галактик ....................................... 41
9. Борьба вокруг темной материи ................................. 47
10. Тыравере в семидесятых ............................................. 55
11. Вопрос Зельдовича ........................................................ 58
12. Сверхскопления, пустоты и цепочки ..................... 66
13. В поисках новых подтверждений............................ 70
14. Холодная темная материя .......................................... 75
15. Тыравере в восьмидесятых ........................................ 76
16. Темная энергия ................................................................. 81
17. Упорядоченность структуры ....................................... 84
18. Тыравере в девяностых.
Пробуждение масс-медиа ................................................... 86
19. Эпилог ................................................................................... 90

3

Темная энергия и всемирное антитяготение ............93
1. Введение ................................................................................ 94
2. Закон всемирного антитяготения ............................100
2.1. Вакуум Эйнштейна–Глинера ..................................................100
2.2. Проблема естественности .......................................................104
2.3. На ньютоновском языке .........................................................108
2.4. «Термодинамическое» уравнение Фридмана .................114
2.5. Момент нулевого тяготения ..................................................115
2.6. Данные космического аппарата WMAP ..........................121
3. Темная энергия в ближней Вселенной ................123
3.1. Парадокс Хаббла – Сэндиджа ................................................124
3.2. Регулярный поток .......................................................................127
3.3. Вблизи Млечного Пути ............................................................130
3.4. Локальная космология .............................................................132
3.5. Малый взрыв ................................................................................137
4. Внутренняя симметрия в космологии...................140
4.1. Эйнштейн и Фридман о топологии мира ......................140
4.2. Дополнительные измерения ..................................................142
 4.3. «Истинные» константы и темная энергия ....................148
4.4. Четыре энергии  .........................................................................150
4.5. Симметрия ......................................................................................155
4.6. Совпадение плотностей ...........................................................159
4.7. Снова иерархия ...........................................................................161
4.8. Большие числа .............................................................................165
4.9. Проблема Дикке ..........................................................................167
Список литературы ...............................................................172

Темные субстанции
5

Темные субстанции

Тёмная материя, тёмная энергия… Эти завораживающие словосочетания относятся к совсем разным понятиям, их нельзя путать, но что они означают? Здесь до сих пор нет единой 
точки зрения. Одни склонны воспринимать исследование этих 
«тёмных» субстанций  как успешный прорыв науки в область 
неизведанного, другие видят в них  свидетельство очевидной 
неполноты человеческих знаний, поскольку природа ни тёмной 
материи, ни тёмной энергии до сих пор толком неизвестна (хотя различных гипотез хватает)… Наконец, третьи  сомневаются 
в самом существовании темной материи и/или энергии и видят причину их введения в науку  в том, что используемые законы физики не известны с абсолютной точностью, и требуют определённых коррекций при их применении в необычных 
условиях — для описания больших и разреженных пространств 
Вселенной. Действительно, существование этих загадочных субстанций пока гипотетично и нуждается в доказательствах. Но, 
тем не менее, представления о них не высосаны из пальца, они 
хорошо обоснованы и базируются на анализе данных астрономических измерений, не входят с ними в конфликт и, главное, 
хорошо вписываются в общую современную картину эволюции 
Вселенной, и поэтому выглядят убедительными. Существование 
тёмной материи и энергии позволяет многое объяснить из того, 
что раньше казалось непонятным, в то время как немало научных гипотез, смелых предположений и теоретических разработок оказались отвергнутыми, поскольку вошли в конфликт с 
новыми данными наблюдений.

Предисловие

Чтобы легче понять, на чём основаны существующие представления о темной материи и энергии, самое правильное — 
проследить рождение и развитие идей об их существовании, и 
показать, к каким следствиям они приводят. Именно это читатель найдёт в двух предлагаемых разделах книги. Оба раздела 
написаны признанными специалистами — астрофизиками, внёсшими большой вклад в развитие представлений о тёмной материи и энергии. При этом эти разделы книги сильно различаются не только по содержанию, но и по стилю изложения.
Раздел «Сказание о тёмной материи» Яана Эйнасто – это 
легко читаемая история не только о том, как пробивала себе 
дорогу в науке идея о массивных невидимых гало («коронах») 
тёмной материи вокруг нашей и других галактик, но и рассказ 
о становлении и истории в советский и пост-советский периоды эстонской обсерватории в Тыравере, где эта идея родилась 
и вызрела. Работы по распределению масс в галактиках, выполненные в Эстонии под руководством Яана Эйнасто действительно оказались пионерскими, при этом сама идея о привлечении 
темной массы для объяснения динамики галактик и формирования крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной далеко не сразу получила поддержку и признание. В этом рассказе 
читатель не найдёт описания результатов исследования ожидаемых характеристик тёмной массы и её роли в эволюции галактик  и их систем, полученные за последнее десятилетие,1 однако зарождение и драматическое  развитие идеи о преобладании во Вселенной невидимой материи описано живо, наглядно 
и поучительно.
В ином стиле написан раздел А. Д. Чернина «Тёмная энергия и всемирное антитяготение». Здесь читателя ждёт встреча 
с другой нерешённой научной проблемой, связанной с эволюцией окружающего мира. Автор с физической точки зрения аргументирует существование такой субстанции, таких сил, которые определяют  ускоренный характер расширения Вселенной в современную эпоху, в отличие от того, что имело место 
миллиарды лет назад. Читатель узнает, как родилось и на чём 
основано представление о космической  энергии, условно называемой «тёмной», которая, несмотря на низкую плотность, пре
1 Интересующимся можно порекомендовать обзор «Тёмная масса в Галактиках А. В. Засова и др. в УФН, том 187, № 1, с. 3-44.

, «», . , . .  , , «» , .
,  , , . , , — .
. . А. В. Засов,
профессор физического факультета  
МГУ им. М. В. Ломоносова

СКАЗАНИЕ О ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Яан Эйнасто
Перевод с эстонского В. Пустынского

Сказание о темной материи

1.  Пролог

Случилось мне как-то прочесть книгу Томаса Куна «Структура научных революций». Дело происходило в середине 1970-х 
годов, проблема темной материи была актуальна, и борьба сторонников и противников этой концепции была в самом разгаре. 
Я обратил внимание на то, что открытие темной материи очень 
напоминает описанные Куном научные революции. А в 1985 году в Принстонском университете состоялась конференция, посвященная темной материи. В заключительном слове Скотт Тремейн назвал историю ее обнаружения типичной научной революцией. Бинни и Тремейн в своей монографии о динамике галактик также подчеркивали революционный характер открытия 
темной материи.
Тартуские астрономы участвовали в изучении темной материи длительное время – начиная с основателя современной 
эстонской астрономической школы Эрнста Эпика и его ученика 
Г. Кузмина и вплоть до ее нынешних представителей. Проблема 
темной материи занимала астрономов многих стран, и все они 
пришли к этой проблеме разными путями. Я попытаюсь здесь 
рассказать, каким путем к проблеме темной материи пришли 
тартуские астрономы, и какими были наши трудности при решении этой проблемы. Очевидно, что история темной материи 
в рассказе, скажем, принстонского астронома звучала бы иначе. 
Но в данном случае разные точки зрения дополняют друг друга.

2. Эпик и природа галактик
11

2. Эпик и природа галактик

Эрнст Эпик родился в маленьком городе Кунда в 1893 году. Он начал занятия физикой и математикой самостоятельно 
еще в школьные годы. Чтобы получить университетское образование, Эпик отправился в Москву, где репетиторством легче 
было заработать на жизнь. Так как основы физики и математики к этому времени уже были ему ясны, он сразу мог приступить к исследовательской работе. Эпик пытался разобраться 
в небесных явлениях, а нерешенных проблем в то время было 
предостаточно. Еще совсем недавно астрономы были убеждены, 
что все видимые невооруженным глазом звезды и бесчисленное 
множество слабых звездочек образуют большую звездную систему – Галактику, которой принадлежит и наше Солнце – рядовая звезда. В то время многие астрономы отождествляли Галактику со всей Вселенной. Например, в 1914 году вышла из печати 
монография сэра Артура Эддингтона «Движение звезд и строение Вселенной». На самом деле речь там шла только о движении звезд в Млечном Пути, то есть в нашей Галактике.
Выяснение размеров Галактики наталкивалось на трудности. 
Не было известно, ослабевает ли излучение вследствие поглощения и искажается ли тем самым видимая яркость звезд; их 
яркость была важна для определения расстояний.
В одной из своих первых работ (опубликованной в 1915 году) Эпик рассматривает этот вопрос. Он разрабатывает метод определения плотности вещества вблизи плоскости Галактики по вертикальным движениям звезд относительно этой плоскости: это позволяло найти количество материи, поглощающей свет. Звезды движутся относительно плоскости симметрии 
вверх-вниз. Чем больше вертикальная скорость, тем выше звезда может подняться над плоскостью Галактики. Сравнение скоростей и расстояний позволяет вычислить силу гравитационного поля и плотность вещества в плоскости Галактики. Изучая 
доступные ограниченные данные, Эпик находит, что плотность 
вещества вблизи галактической плоскости вполне согласуется 
с известным количеством звезд. Отсюда он делает вывод, что 
в Галактике не может быть большого количества поглощающей темной материи: в противном случае его влияние на вертикальные движения звезд было бы заметным. Насколько нам 

Сказание о темной материи

известно, это было первое 
исследование темной материи в нашей Галактике. Как 
мы увидим далее, звездные 
астрономы впоследствии обращались к этой проблеме 
неоднократно.
Другой нерешенной проблемой была природа туманностей. К тому времени 
с помощью телескопов были 
открыты тысячи туманностей. Некоторые из них (например, туманность в созвездии Ориона) походили на 
газовые облака. Другие имели вид диска или кольца (за внешнюю схожесть с планетами их назвали планетарными туманностями). Третьи имели спиральную структуру. Встречались и
туманности эллиптической формы. Мнения астрономов о природе туманностей разделились: некоторые думали, что это газовые образования внутри нашей Галактики, другие приводили доводы в пользу того, что туманности находятся на больших расстояниях от Галактики и образуют независимые «острова» во Вселенной.
Для обсуждения этой проблемы Национальная академия наук США в 1920 году организовала публичную дискуссию, в которой известные американские астрономы Кертис и Шепли выступили с доводами в пользу каждой из точек зрения. Но это 
обсуждение не дало результата. Оно наглядно показало, что научную проблему путем дискуссий не решить: решение можно 
отыскать, лишь глубоко изучив вопрос. Участники того обсуждения даже не догадывались, что ответ на поставленный вопрос уже был к тому времени известен. Эрнст Эпик также питал к этому вопросу интерес. Он внимательно следил за научной литературой и обратил внимание на то, что американский 
астроном Слайфер измерил скорость вращения галактики в со
Ýðíñò Þëèóñ Ýïèê
1972 ãîä