Текст книги "История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. 3-е международное издание"

Наблюдения за далекими сверхновыми типа Ia помогли измерить разницу между Ω_M и Ω_Λ. Вещество замедляет расширение Вселенной, так как гравитация притягивает все ко всему остальному, затрудняя отдаление друг от друга. Чем выше плотность вещества, тем больше гравитационное взаимодействие замедляет процесс. Однако темная энергия делает кое-что принципиально другое. В отличие от скоплений вещества, чье взаимное притяжение замедляет космическое расширение, темная энергия обладает странным свойством: она заставляет пространство расширяться, тем самым дополнительно ускоряя этот процесс. Чем шире пространство, тем больше в нем становится темной энергии, так что расширяющаяся Вселенная – самый что ни на есть настоящий бесплатный сыр сами знаете где. Новоявленная темная энергия заставляет космос расширяться еще быстрее, и бесплатного сыра становится все больше и больше – и так до бесконечности. Значение Ω_Λ отражает собой размер космологической постоянной и позволяет нам оценить абсолютное значение тенденции темной энергии к расширению своего окружения.

Когда астрономам удалось измерить отношение удаленности галактик к их скоростям удаления, они обнаружили, во что выливается противостояние гравитации и темной энергии. Согласно их подсчетам, Ω_Λ – Ω_M = 0,46 (±0,03). Так как астрономы на тот момент уже определили, что значение Ω_M составляет примерно 0,25, на основе этой формулы легко установить, что Ω_Λ предположительно равняется 0,71. Тогда в сумме Ω_Λ и Ω_M дают 0,96 – а это почти полноценная единица, которую прочит нам инфляционная модель Вселенной. Более свежие данные внесли в эти цифры уточняющие дополнения, благодаря чему сумма Ω_Λ + Ω_M еще больше приблизилась к единице. В настоящее время вам будет трудно найти космолога, не согласного с выводом о том, что Вселенная плоская.

Несмотря на единодушие между двумя соперничающими группами экспертов по сверхновым звездам, некоторых космологов все же было трудно убедить до конца. Не каждый день ученым случается оставить многолетние убеждения, такие, скажем, как нулевое значение космологической постоянной, и заменить их принципиально новым выводом о том, что темная энергия заполняет собой каждый кубический сантиметр пустого пространства. Почти все скептики, которые внимательно следили за приключениями теорий об устройстве космоса, в конце концов присоединились к новой версии, после того как смогли переварить результаты новой серии отчетов спутника, созданного для того, чтобы с беспрецедентной точностью записывать свои наблюдения за реликтовым излучением. Этот спутник – всемогущий WMAP, уже упомянутый в главе 3, к началу 2003 года накопил для космологов достаточно данных для того, чтобы на их основании составить всеохватную небесную карту микроволнового излучения, несущего на себе бо́льшую часть космического фонового излучения. Хотя более ранние исследования уже позволили сделать несколько базовых выводов и без такой карты, они все же были сделаны на основании куда более скудных данных, собранных лишь с отдельных участков неба. Полноценная карта неба от WMAP стала кульминацией многолетних трудов множества специалистов, а также определила раз и навсегда самые важные особенности реликтового излучения.

Самый выдающийся и значительный аспект новой карты, как и в случае с наблюдениями с аэростатов и наблюдениями, сделанными с помощью предшественника WMAP – спутника COBE[20]20
  От англ. COsmic Background Explorer – «Исследователь фонового излучения».


[Закрыть], заключается в ее почти полной безликости. Вы не найдете никаких заметных различий в интенсивности излучения, идущего со всех сторон, пока не доберетесь в своих измерениях примерно до одной тысячной доли значений. Но и тогда едва различимые отличия принимают форму лишь незначительного повышения интенсивности излучения в одном конкретном направлении и соответствующего незначительного понижения интенсивности излучения в противоположном направлении. Эти различия вызваны движением нашей галактики Млечный Путь среди соседних с ней галактик. Из-за эффекта Доплера мы принимаем чуть более явный сигнал в направлении такого движения не потому, что само реликтовое излучение сильнее, а потому, что наше движение навстречу ему слегка увеличивает энергетический след фотонов, которые мы можем обнаружить.

Скорректировав результат со скидкой на эффект Доплера, мы получаем ровное реликтовое излучение, но это только вплоть до уровня стотысячных долей его величины. На этом уровне обнаруживаются крошечные отклонения от всеобщего единообразия. Эти отклонения можно сопоставить с участками, из которых реликтовое излучение приходит чуть более или чуть менее ярким. Как уже отмечалось ранее, разница в интенсивности связана с направлениями, в которых вещество чуть горячее и плотнее (или прохладнее и разреженнее) среднестатистического вещества в районе 380 тысяч лет после Большого взрыва. Спутник COBE первым заметил эти различия. Инструментальные измерения с помощью аэростатов и исследования на Южном полюсе уточнили имеющиеся у нас данные, а затем спутники WMAP и Planck предоставили еще более детальные сведения о небесном своде, что дало космологам возможность создать подробную карту плотности реликтового излучения с невообразимой ранее точностью углового разрешения вплоть до одного градуса.

Незначительные отклонения в однообразии реликтового излучения, обнаруженные спутниками COBE, WMAP и Planck, представляют для космологов более чем просто мимолетный интерес. Так, они показывают нам зачатки структурного строения Вселенной в то время, когда фоновое излучение перестало взаимодействовать с веществом. Регионы, в которых вещество чуть плотнее среднего, в те далекие времена получили фору для дальнейшего сокращения и выиграли эти космические соревнования, собрав у себя большую часть вещества с помощью гравитации. Первым важным заключением, которое позволяет сделать новая карта распределения реликтового излучения, является следующее: подтверждаются космологические теории о том, что огромная разница в плотности вещества от региона к региону Вселенной, наблюдаемая сегодня, существует благодаря крошечным различиям в плотности вещества, которые сложились во Вселенной через несколько сотен лет после Большого взрыва.

Однако космологи могут использовать новые результаты своих наблюдений за реликтовым излучением еще и для того, чтобы разгадать другую, более фундаментальную особенность устройства Вселенной. Подробная карта распределения реликтового излучения показывает нам кривизну самого пространства. Это удивительное заключение основано на том факте, что кривизна пространства влияет на путешествующее сквозь него излучение. Если, например, пространство искривлено положительно, тогда при наблюдении за реликтовым излучением мы оказываемся примерно в позиции стороннего наблюдателя, стоящего на Северном полюсе и глядящего вдоль поверхности Земли в направлении источника излучения в районе экватора. Так как линии долготы сходятся на полюсе, источник излучения предстает перед таким наблюдателем более остроугольным, чем было бы при абсолютно плоском пространстве.

Чтобы понять, как кривизна пространства влияет на угловой размер составляющих реликтового излучения, представьте себе время, когда оно наконец-то перестало взаимодействовать с веществом. Тогда крупнейшие отклонения от однообразия, которые только могли существовать во Вселенной, обладали размером, который космологи могут подсчитать: возраст Вселенной, умноженный на скорость света, равняется примерно 380 тысячам световых лет в поперечнике. Это то самое максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости. В случае с большими расстояниями «новости» от других частиц просто еще не успели бы добраться куда следовало, так что их нельзя винить в нарушениях распределения реликтового излучения.

Под каким углом эти максимальные отклонения расположились бы на небе сейчас, зависит от кривизны пространства, которую можно определить, сложив Ω_M и Ω_Λ. Чем ближе эта сумма к единице, тем ближе кривизна пространства к нулю (то есть тем более плоское пространство мы имеем) и тем больше угловой размер наблюдаемых нами максимальных отклонений от однообразия реликтового излучения. Данная кривизна пространства зависит только от суммы двух Ω, потому что оба типа плотности провоцируют кривизну пространства одинаковым образом. Получается, что наблюдения за реликтовым излучением предлагают нам прямое значение суммы Ω_M и Ω_Λ, а изучение сверхновых звезд – значение алгебраической разницы между Ω_M и Ω_Λ.

Данные спутника WMAP показывают, что для самых заметных отклонений от однообразия реликтового излучения характерен угол 1 градус, и это означает, что сумма Ω_M + Ω_Λ равняется 1,02 (±0,02). Так, в рамках границ экспериментально допустимой точности мы можем сделать вывод, что Ω_M + Ω_Λ = 1. Значит, пространство плоское. Результаты наблюдений за далекими сверхновыми типа Ia можно резюмировать строчкой Ω_Λ – Ω_M = 0,46. Если мы совместим этот результат с утверждением о том, что Ω_M + Ω_Λ = 1, то получим следующие значения: Ω_M = 0,27, а Ω_Λ = 0,73; погрешность каждого из них составляет несколько процентов. Более точные данные, полученные с помощью спутника Planck, дают значения Ω_M = 0,31 и Ω_Λ = 0,69. Как уже отмечалось ранее, это лучшая на сегодня оценка двух ключевых космических параметров: их неопределенность уменьшилась до ±2 %. Они демонстрируют, что на вещество – как на обычное, так и на темную материю – приходится лишь 31 % суммарной плотности вещества (или обычной энергии в его эквиваленте), в то время как на долю темной энергии приходится 69 %. Если хотите, можно рассматривать массовый эквивалент темной энергии – E/c²; тогда на долю темной энергии приходится 69 % всей массы Вселенной.

Ученые установили, что при ненулевом значении космологической постоянной относительное влияние вещества и темной энергии должны меняться с течением времени. С другой стороны, плоская Вселенная навсегда останется плоской, от своего рождения в результате Большого взрыва и вплоть до того бесконечного будущего, что ждет нас впереди. В плоской Вселенной сумма Ω_M и Ω_Λ всегда равна единице, а значит, если изменится одно слагаемое, то другое не сможет остаться неизменным.

В космические эпохи, наступившие вскоре после Большого взрыва, темная энергия не играла во Вселенной почти никакой роли. По сравнению с предстоящими вехами в ее истории Вселенная тогда была столь мала, что на долю Ω_Λ приходилось число немногим больше нуля, в то время как Ω_M практически равнялась единице. В те времена Вселенная напоминала собой пространство без какой-либо космологической постоянной. Шло время, и значение Ω_M постепенно уменьшалось, зато значение Ω_Λ росло в обратной к нему пропорции, сумма же неизменно оставалась равной единице. Рано или поздно, через сотню миллиардов лет от сегодняшнего дня, Ω_M упадет почти до нуля, зато Ω_Λ будет расти и расти, пока не приблизится по своему значению к единице. Мы видим, что история плоской Вселенной с ненулевой космологической постоянной подразумевает переход от «ранних лет», когда темной энергии отводилась самая незначительная роль, к «настоящему», когда Ω_M и Ω_Λ были приблизительно равны, а затем и к бесконечному будущему, в котором вещество будет распределено по Вселенной столь разреженно, что Ω_M будет бесконечно стремиться к нулю, хотя сумма двух Ω все равно будет оставаться равной единице.

Наши наблюдения позволяют, с одной стороны, вычислить, что в данный момент в галактических кластерах величина Ω_M составляет примерно 0,29, с другой – наблюдения за реликтовым излучением и далекими сверхновыми звездами приводят значение, скорее близкое к 0,31. С учетом экспериментальной погрешности эти два значения можно считать «совпадающими». Если мы действительно живем во Вселенной с ненулевой космологической постоянной и если эта постоянная отвечает (в паре с веществом) за формирование плоской Вселенной, как это предсказывает инфляционная модель, тогда космологическая постоянная должна иметь значение, которое, в свою очередь, приближает значение Ω_Λ к 0,7 с лишним. То есть оно в два с половиной раза больше значения Ω_M. Другими словами, Ω_Λ сейчас выполняет основную часть работы во имя того, чтобы сумма Ω_M + Ω_Λ равнялась единице. Это означает, что мы уже оставили позади ту эпоху, в которой вклад вещества и космологической постоянной в поддержание плоской формы Вселенной был равен (значение каждой Ω составляло 0,5).

Прошло менее десяти лет, и прозвучавший двойной выстрел результатов наблюдений за сверхновыми звездами типа Ia и реликтовым излучением привел к переходу концепции темной энергии из статуса «какой-то там» идеи, на которой в свое время ненадолго остановился Эйнштейн, в статус непреложного космического факта о жизни. Если только в будущем не окажется, что все эти многочисленные данные получили неверную трактовку, были некорректно собраны или просто в корне неверны, нам останется лишь принять тот факт, что Вселенная никогда не сожмется в размере и не прекратит свое существование. Вместо этого нас ждет довольно скучное будущее: через сотню миллиардов лет, когда большинство звезд уже выгорит, все, кроме самых ближайших галактик, навсегда исчезнет из нашего поля зрения.

К тому времени Млечный Путь соединится со своими ближайшими соседями, создав одну огромную – гигантскую! – галактику в буквальном смысле в настоящей космической глуши. В нашем ночном небе останется сколько-то звезд, мертвых или еще функционирующих, и больше ничего. Астрофизикам будущего предстоит жить в весьма жестоком мире. Вокруг не будет ни одной галактики, которая помогла бы им отследить факт расширения Вселенной, и они, как и Эйнштейн, ошибочно предположат, что живут в статической Вселенной. Космологическая постоянная и ее темная энергия доведут Вселенную до состояния, в котором их нельзя будет не только измерить, но и в принципе вообразить.

Рекомендуем получать удовольствие от космологии, пока это еще возможно.

Глава 6. Напряжение в космосе!

С открытия темной энергии прошло не так много времени, но она уже заняла одно из главенствующих мест в списке самых волнующих вопросов существования Вселенной. К ответам на них ученые так пока и не приблизились, но их можно простить: за этот период астрофизики смогли еще точнее определить параметры, с помощью которых можно описать Вселенную на всем пути ее существования. И они продолжают работать над тем, чтобы еще точнее установить основной из них – скорость расширения. Для ее измерения ученые разработали два метода, почти равноценные по точности, однако их усилия привели к появлению еще одной животрепещущей, провокационной и многообещающей проблемы – оба метода дали совершенно разные результаты.

К такой противоречивости можно относиться по-разному. С одной стороны, воспринимать расхождение результатов как неверное, считая, что оно, вероятно, обусловлено не свойствами Вселенной, а неправильной интерпретацией, ошибками в расчетах или неточными исходными данными. С другой стороны, видеть в этом потенциал. Если мы будем работать над уточнением соответствующих знаний о космическом пространстве, его законах и истории развития либо – что еще более интересно – сможем открыть нечто новое в области базовой физики, которая лежит в основе любого космологического анализа, то сможем обрести новое понимание Вселенной.

Расхождение, о котором идет речь, касается значения основного параметра современной космологии – постоянной Хаббла H₀, которая выражает скорость расширения Вселенной в настоящее время. Нужно отметить, что астрофизики описывают постоянную Хаббла в единицах «км/с на мегапарсек», то есть на сколько километров в секунду увеличиваются скорости удаления галактик с увеличением расстояний до них, измеряемых в мегапарсеках (один мегапарсек соответствует 3,26 миллиона световых лет). Один метод определения постоянной Хаббла дает значение чуть больше 67 километров в секунду на мегапарсек, а второй демонстрирует результат, который примерно на 10 % больше первого и близок к 73. Разница между этими двумя числами привела к ситуации, которую космологи часто называют «космическим напряжением», или «напряжением Хаббла». Мы могли бы дать ей и другое, гораздо более звучное имя, например «кризис космологии», чтобы привлечь еще больше внимания, но давайте ограничимся словом «напряжение» и подумаем лучше вот о чем: «Что означает данное явление для нас и в целом для науки?»

Если мы обратимся к истории, то заметим, что нынешнее взволновавшее всех расхождение в оценках больше похоже на сближение. До появления телескопа «Хаббл» выдающиеся астрофизики, которые делали попытки определить значение постоянной Хаббла, расходились в своих оценках ровно в два раза: одни принимали за верное число 50, а другие – 100. Учитывая, какое напряжение породила разница между значениями 67 и 73, занимающая ученых сегодня, можно представить, как далеко мы продвинулись за одну жизнь.

Некоторые астрофизики – обычно не те, кто непосредственно участвует в измерениях или интерпретации результатов – спокойно смотрят на ситуацию. Они считают, что напряжение Хаббла разрешится довольно прозаически, и причем довольно скоро, а правильным будет признано значение, близкое к 70. Но многие из тех, кто потратил годы и даже десятилетия на определение точного значения постоянной Хаббла, придерживаются противоположной точки зрения (что, впрочем, вполне ожидаемо) и продолжают участвовать в жарких спорах. Если оба лагеря окажутся правыми в своих оценках, то с точки зрения истории настоящее вполне может быть названо эпохой, в которой два разных числа открыли дверь в новую физику.

Какие же методы породили напряжение Хаббла? С помощью первого было выявлено существование темной энергии; он использует оценки расстояний, полученные из наблюдений взрывов сверхновых в далеких галактиках. Постоянно совершенствующиеся средства наблюдения за взрывами этих сверхновых, а также уточнения тонких различий между ними привели к получению значений, близких к 73. Однако прежде чем обсуждать неопределенности, связанные этим числом, необходимо изучить главный альтернативный метод определения постоянной Хаббла.

Этот подход основан на использовании того, что космологи называют «стандартной линейкой» по аналогии со «стандартными свечами» – сверхновыми, используемыми в традиционном подходе вычисления постоянной Хаббла. Как рассказывалось в предыдущей главе, в эпоху разделения, которая наступила через 380 тысяч лет после Большого взрыва, некогда существенное гомогенизирующее воздействие излучения на материю наконец прекратилось. С той поры излучение свободно путешествует среди частиц материи, не оказывая на них весомого воздействия. Это произошло, когда максимальное расстояние, на котором частицы материи могли воздействовать друг на друга, составляло около 420 тысяч световых лет – более удаленные друг от друга области не успели каким-либо образом повлиять друг на друга. Это расстояние послужило ученым стандартной линейкой. В предыдущей главе оно было отмечено как максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости.

С расширением пространства расширялась и стандартная линейка, соответствующая наибольшим расстояниям в пространстве, в пределах которых могли возникнуть когерентные отклонения плотности материи от среднего значения. Теперь мы можем «увидеть» линейку – точнее, ее влияние – в двух разных эпохах. С первой из них мы уже знакомы. Это эпоха разделения, когда возникли небольшие неоднородности в распределении реликтового излучения, отражающие неравномерность распределения материи. В течение следующих миллиардов лет эти отклонения в плотности, составляющие стотысячные доли, превратились в чрезвычайно большие различия в плотности распределения материи внутри гигантских скоплений галактик и в областях между ними. Максимальные размеры этих скоплений показывают, насколько увеличился размер стандартной линейки с эпохи разделения до настоящего времени.

Таким образом, второй метод определения постоянной Хаббла основан на создании точной карты современной Вселенной и ее сравнении с первоначальными различиями в реликтовом излучении. (На самом деле слово «современный» означает «всего пару миллиардов лет назад» – это среднее время, необходимое для наблюдения за скоплениями галактик, выросшими из крошечных отклонений в реликтовом излучении.) В первые десятилетия XXI века проект Sloan Digital Sky Survey для большей точности задействовал специальный телескоп в Апач-Пойнт (штат Нью-Мексико, США), чтобы составить карты трехмерного распределения галактик в космосе и определить современный размер стандартной линейки. Он оказался равен примерно 490 миллионам световых лет. Сравнение этого расстояния с размером 450 тысяч световых лет, который имела линейка в эпоху разделения, приводит к значению постоянной Хаббла, близкому к 67.

Какую погрешность имеет каждый из этих двух методов, давших оценки 67 и 73? Самый последний анализ, проведенный группами астрофизиков, которые используют подход со стандартной линейкой, дает значение 67,3 (±0,6). Альтернативный подход к определению постоянной Хаббла, основанный на измерении светимости сверхновых, практикуется несколькими независимыми группами наблюдателей, состязающимися не только в точности результатов, но и в привлекательности аббревиатур команд, две из которых, H0LiCOW и SH0ES, с удовольствием включили H₀ в свои названия. Самая последняя оценка, полученная группой SH0ES, равна 73,3 (±1,0), тогда как H0LiCOW дает оценку 73,3 (±1,8). Разница между 67+ и 73+ вместе с оценками погрешности создает то, что ученые называют «разницей в пять сигм», что в переводе на простой человеческий звучит как «слишком большая, чтобы ее игнорировать». (Большинство ученых считают значимым расхождение в больше, чем три сигмы, при условии, что они доверяют данным, лежащим в основе расчетов.)

Прежде чем заняться разбором этих противоречивых результатов, следует отметить, что, к нашему удивлению, астрофизики имеют в своем арсенале еще три подхода для определения значения постоянной Хаббла. Один из них уже используется, а еще два скоро будут готовы помочь уточнить наши знания.

Первый из них основан на оценке расстояний до сверхновых в сравнительно близких галактиках путем пристального наблюдения за самыми яркими звездами в гигантских звездных скоплениях. Благодаря изучению этапов эволюции звезд астрофизики знают, сколько энергии те излучают. Как и в случае с наблюдениями сверхновых, сравнение видимых яркостей объектов, которые, как известно, имеют одинаковую истинную светимость, дает соотношение расстояний до объектов. Этот метод не распространяется на такие большие расстояния, которые позволяет измерять метод наблюдения за сверхновыми, но его результаты позволяют предположить, что постоянная Хаббла имеет компромиссное значение 70, упомянутое выше. Анализ полученных результатов, проведенный сторонниками значения 73, привел их к выводу, что это число лишь немного занижено. Из таких конфликтов может возникнуть окончательное решение.

Два других независимых метода оценки постоянной Хаббла достигли определенного успеха, но пока находятся в зачаточном состоянии. Оба открывают новые горизонты, опираясь на общую теорию относительности Эйнштейна. Один из них связан с искривлением пространства гравитационными силами, а другой – с гравитационным излучением, которое ученые обнаружили только в последние несколько лет. Как и более старые, хорошо зарекомендовавшие себя методы, новые нацелены на более точное определение расстояний до объектов и сравнение скоростей, с которыми они удаляются от нас. Первый из этих методов основан на анализе гравитационного отклонения реликтового излучения, проходящего мимо множества галактик на пути к нам. Второй, более подробно описанный в главе 9, основан на наблюдении за «стандартными сиренами» – подмножеством источников гравитационного излучения со схожими характеристиками, разбросанных в наблюдаемой части Вселенной. Название «стандартные сирены» было выбрано по аналогии со «стандартными линейками». Оба подхода, основанные на измерении искривления пространства и на наблюдении за стандартными сиренами, обещают дать результаты, более точные, чем позволяют получить лучшие на данный момент методы измерения скорости расширения Вселенной.

Как же все-таки оценить значение нынешнего напряжения в космологии? Как и астрофизики, проницательные читатели могут предсказать решение, опираясь на собственный опыт. Вы предпочитаете консервативный подход, сохраняете спокойствие и ожидаете, что вскоре все оценки сойдутся к значению 70? Или предпочитаете революцию: конфронтацию доказательств между значениями 67 и 73, которая откроет дверь в новую физику? В любом случае мы можем быть уверены, что в самой Вселенной нет никакого кризиса. Проблемы возникают на Земле, где человеческое понимание пока очень далеко от совершенства. Космологи и физики, считающие, что это напряжение требует решения, попытались, как того требуют их должностные инструкции, разрешить его, определив, что было упущено в нашем понимании Вселенной.

Список предлагаемых решений, к чести их создателей, может утомить большинство читателей. Почти все подобные предложения либо меняют принятую в настоящее время модель расширения Вселенной, либо вводят «новую физику», которая включает изменение теории относительности или законов гравитации. Самые популярные предложения новой физики связаны с неизвестными гипотетическими частицами (отличными от неизвестных гипотетических частиц, образующих темную материю), либо гипотетическими тонкими изменениями количества темной энергии во время раннего расширения Вселенной до момента разделения или вскоре после этого. К несчастью для некоторых из этих теорий, но к счастью для прогресса науки, точность наших нынешних наблюдений реликтового излучения накладывает жесткие ограничения на эти гипотезы, а в самых простых случаях делает их с высокой степенью вероятности несостоятельными. С определенной точки зрения, это увеличивает волнение, которое напряжение Хаббла вносит в космологию: мы можем обнаружить, что за кажущимся скромным разногласием между 67 и 73 скрывается не только новая физика, но также и тот факт, что добавления «простой» новой физики может оказаться недостаточно. В последнем случае должен произойти более широкий пересмотр нашего понимания, чтобы напряжение Хаббла разрешилось само собой и астрофизики смогли сосредоточиться на новых загадках, которые, несомненно, возникнут в результате будущих наблюдений.