Космология в действии: как темная энергия заставляет Вселенную расширяться в ускоренном темпе
Почти столетие астрономы знали, что Вселенная расширяется. Пространство-время растягивается на миллиарды световых лет, раздвигая находящиеся в нем галактики, как изюм в поднимающемся тесте. Это неуклонное расширение, противопоставленное стремлению космоса схлопнуться под действием собственной гравитации, означает, что есть два основных сценария того, как в конечном итоге Вселенная закончится. Первый сценарий называются Большим сжатием: гравитация в конце концов преодолевает силу расширения, и вся эволюция Вселенной идет обратно вплоть до Большого взрыва, который станет Большим хлопком. Второй сценарий предполагает, что гравитация проигрывает расширению, а вся материя «размазывается» по огромному пространству, где атомы и частицы уже не могут между собой взаимодействовать.
Какое-то время исследователи считали, что судьба Вселенной склоняется к первому сценарию. Но в конце 1990-х астрономы неожиданно обнаружили нечто, изменившее наше представление о будущем Вселенной: оказалось, что самые далекие галактики не просто удаляются от нас, они удаляются ускоренно — все быстрее и быстрее с течением времени.
Космологический паззл
Это явление было независимо открыто двумя группами астрономов, которые измеряли красное смещение далеких сверхновых, чтобы рассчитать точную скорость, с которой расширяется Вселенная. Они ожидали, что самые далекие звезды удаляются медленнее, чем близкие. Но оказалось, что все наоборот. Трое из этих ученых — Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт — разделили Нобелевскую премию по физике 2011 года за свое открытие.
Отмеченные наградами исследования были получены в результате наблюдения далеких сверхновых типа Ia. Астрономы считают, что взрывы таких сверхновых происходят всегда при одних и тех условиях: белый карлик — плотный остаток солнцеподобной звезды — «собирает» вещество, которое превышает физический предел его массы и взрывается. Этот предел одинаков для всех белых карликов, поэтому все сверхновые типа Ia имеют одинаковую истинную яркость. Это свойство сделало эти сверхновые идеальными маркерами расстояния. Они получили название стандартные свечи.
Две команды на самом деле заглядывали в прошлое в поисках начала космического замедления: они искали момент времени, когда гравитация взяла верх над быстрым ускорением космоса после Большого взрыва. Этот момент ознаменовал бы поворот, поскольку гравитация, наконец, начала замедлять скорость, с которой галактики и скопления галактик удаляются друг от друга при расширении Вселенной.
Поскольку ученым известна истинная яркость стандартных свечей, они могли предвидеть, насколько яркими будут эти далекие сверхновые, если расширение замедлится. Но вместо этого они обнаружили, что наблюдаемые сверхновые типа Ia светились на 25% слабее, а значит были дальше, чем ожидалось, доказывая, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется.
К концу 1998 года обе команды представили в академические журналы статьи с подробным изложением своих выводов.
Вывод обоих: большой процент Вселенной состоит из чего-то ранее не обнаруженного и неожиданного. И эта так называемая темная энергия оказывается сильнее гравитации и раздвигает пространство-время «изнутри».
В этом паззле слишком много неизвестных
Состав Вселенной удивительно сложно определить. Помимо темной энергии, космос также заполнен невидимой формой материи, известной как темная материя. Астрономы теперь знают, что нормальная видимая материя составляет всего 5% Вселенной, а загадочная темная материя и темная энергия составляют 26% и 69% соответственно. Другими словами, астрономы на самом деле не понимают, из чего на самом деле состоит около 95% Вселенной.
И даже спустя десятилетия после их открытия ученые поразительно мало знают о «темных» силах, управляющих нашей Вселенной. «Понимание и измерение темной материи и темной энергии очень сложно», — говорит Нобелевский лауреат Адам Рисс. — Представьте, что вы в темной комнате, время от времени прикасаетесь к слону, но никогда его не видели, и пытаетесь понять, что это такое и как оно выглядит».
Но эта темная комната размером со вселенную, и астрономы к этому «слону» даже прикоснуться не могут. Все что могут, увидеть, как он влияет на другие объекты. Астрономы видят, что темная материя гравитационно взаимодействует с видимой материей, поэтому они подозревают, что она состоит из одной или нескольких неизвестных частиц. Темная энергия может быть пятой фундаментальной силой Вселенной. (Известно четыре: слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, гравитация и электромагнетизм.) Но ее точные свойства до сих пор остаются загадкой, тем более что темная энергия, похоже, «включилась» не сразу. Рисс говорит, что самые последние измерения показывают, что темная энергия вызвала это ускорение примерно 5-6 миллиардов лет назад., и только с этого времени она стала главной силой во Вселенной.
Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это внутренняя энергия самого пространства. Альберт Эйнштейн первоначально ввел так называемая космологическую постоянную — это сила отталкивания, противодействующая силе притяжения и позволяющая Вселенной не схлопываться и не расширяться. То есть оставаться стабильной. Но, в конце концов, Эйнштейн отверг свою концепцию после того, как Эдвин Хаббл показал, что Вселенная расширяется. Нобелевская работа по сверхновым в 1990-х годах воскресила космологическую постоянную и связала ее с темной энергией.
Что впереди
По словам Рисса, чтобы в конечном итоге решить загадку темной энергии, ученым потребуется нечто большее, чем просто измерения. Лучшие физики-теоретики мира пытались разработать великую единую физическую теорию, которая полностью объясняет все взаимодействия во Вселенной. Но пока кажется, что гравитация и квантовая физика не связаны друг с другом, несмотря на то, что теоретики считают, что их объединение необходимо для любой теории, которая также будет объяснять темную энергию.
Однако ученые смогли выяснить, какое глубокое влияние темная энергия окажет на Вселенную в отдаленном будущем.
Если вклад темной энергии будет расти по мере старения Вселенной, то со временем Вселенная будет расширяться все быстрее. Другие галактики за пределами нашей Местной группы, которые сольются в единую гигантскую галактику по прозвищу Милкомеда, в конечном итоге будут унесены на такие большие расстояния, что любые обитатели нашей Солнечной системы в далеком будущем не смогут их увидеть.
На самом деле, Алексей Филиппенко, астроном из Калифорнийского университета в Беркли, который работал с обеими командами, открывшими темную энергию, говорит: «Если все записи будут потеряны, будущие цивилизации могут никогда не узнать о других галактиках». Для них, по его словам, «Вселенная будет холодным, темным, одиноким местом».
Вселенная всегда расширялась, но расширение происходило с разной скоростью. Астрономы пытаются ответить, почему эволюция Вселенной была такой