Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Открытие, потрясшее астрономический мир

Ежегодно в январе Американское астрономическое общество (American Astronomical Society) организовывает грандиозную конференцию. На таких встречах представляют многие новаторские результаты исследований. И конференция 1998 года не стала исключением. На ней объявили об открытии, которому суждено было перевернуть наш мир с ног на голову, а именно об открытии темной энергии.

Чуть менее чем за год до этого, в июле 1997 года, были представлены результаты исследовательского проекта Supernova Cosmology Project. Тогда еще без особых сенсаций. С 1988 года группа ученых под руководством Сола Перлмуттера занималась поиском далеких сверхновых. Они ставили перед собой цель описать историю расширения Вселенной, изучая взаимосвязь между красным смещением и яркостью от далеких сверхновых типа 1а. Однако вспышки сверхновых — явление не самое частое, поэтому для большей точности наблюдений ученые разработали методику, позволяющую сначала следить за обширными небесными пространствами, используя небольшой телескоп. А уже после обнаружения сверхновой маленьким телескопом можно было подключить к наблюдениям большой телескоп, использование которого обходилось недешево.

В статье 1997 года группа Перлмуттера представила наблюдения за семью далекими сверхновыми. Они также выяснили, из чего должна была состоять Вселенная, чтобы подтверждать эти наблюдения. Представленный результат соответствовал ожиданиям большинства современников. Наблюдаемые ими сверхновые свидетельствовали о том, что Вселенная наполнена обычным веществом и нет никакой потребности в добавлении странных ингредиентов, таких как темная энергия. В статье они даже пишут, что их результаты несовместимы со Вселенной, в которой преобладает темная энергия, но к собранию Американского астрономического общества шесть месяцев спустя все изменилось. Результаты, к которым теперь добавились несколько новых сверхновых, указывали на то, что Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью, Вселенная, в которой невероятно много отталкивающей гравитации.

Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисе руководили работой по наблюдениям сверхновых, рассказавших нам об ускоряющейся Вселенной.

Почему же всего за полгода выводы настолько изменились? А все потому, что было проанализировано большее количество сверхновых. В 1997 году ученые исследовали лишь семь сверхновых — не самая большая выборка, — а потому ошибка неудивительна. Одна из семи сверхновых выпадала из общей картины. Когда эту причуду сравнивали только с шестью другими сверхновыми, на странное поведение внимания не обратили. До конференции, состоявшейся в январе 1998 года, Перлмуттер и его коллеги проанализировали поведение 21 сверхновой. Странную сверхновую разоблачили, и результаты коренным образом изменились. Все указывало на ускоряющееся расширение Вселенной.

Схемы и числа буквально распирало от отталкивающей гравитации. К концу 1998 года группа Перлмуттера опубликовала статью, в которой они проанализировали целых 42 далекие сверхновые. Результаты остались неизменными: отталкивающая гравитация, похоже, никуда исчезать не собиралась.

Места для сомнений оставалось все меньше, ведь группа Перлмуттера была не одинока в своих исследованиях. На момент публикации результатов в январе 1998 года другая исследовательская группа уже работала над анализом наблюдений за сверхновыми. Группу возглавлял американский астроном Брайан Шмидт. Совместно с Адамом Риссом Шмидт и его группа провели точные наблюдения за различными сверхновыми звездами.

Хотя изучали они не те же самые вспышки, что и группа Перлмуттера, выводы тем не менее оказались практически идентичными: вспышки сверхновых свидетельствуют об ускоренном расширении Вселенной. Рисе, Шмидт и их коллеги представили свои заключения общественности в мае 1998 года. У статьи было на редкость понятное название: Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant («Данные наблюдений за сверхновыми подтверждают ускоренное расширение Вселенной и космологическую постоянную»). Что такое ускоряющаяся Вселенная, мы уже поняли, а скоро разберемся и с космологической постоянной.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Когда две независимые исследовательские группы, наблюдавшие разные объекты, приходят к одному и тому же революционному выводу, списать результаты на ошибку не так-то легко. К тому же они нашли решение нескольких упомянутых ранее проблем, таких как распределение галактик и возраст Вселенной. Конечно, выводы из наблюдений за вспышками сверхновых стали сюрпризом, но для многих сюрприз этот был долгожданным.

Чтобы подчеркнуть важность результатов исследований сверхновых, можно добавить, что журнал Science в 1998 году назвал их прорывом года. А в 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисе получили Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдений дальних сверхновых».

Позднее были проведены наблюдения и за другими сверхновыми, но это лишь подтвердило результаты 1998 года. Однако на этом рассказ о темной энергии заканчивать рано. Ведь разве можно так просто довериться наблюдениям за сверхновыми звездами? Некоторые из сверхновых, описанные в статьях 1998 года, настолько далеки, что, должно быть, взорвались, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, чем сегодня. Можно ли считать, что те сверхновые вели себя в точности так же, как более поздние? И вообще, надежно ли использовать сверхновые в качестве стандартных свечей? Мог ли свет исчезнуть за время долгого путешествия по Вселенной? Для такой смелой гипотезы, как существование темной энергии, требуются еще более надежные доказательства. И это еще не всё.

Но прежде, чем рассматривать другие наблюдения, доказывающие существование темной энергии, давайте-ка переместимся в 1917 год и заглянем в гости к Альберту Эйнштейну, а заодно познакомимся с космологической постоянной.

3.3. Эйнштейн и космологическая постоянная

До этого момента я постоянно использовал термин «темная энергия» для описания взаимодействия с отталкивающей гравитацией. Но, строго говоря, это понятие было введено только в 1998 году после революционных наблюдений за сверхновыми. А раньше все говорили почти исключительно о том, что мы называем «космологической постоянной» или просто «А» (греческая буква лямбда). Настало время познакомиться с А.

При создании теории отталкивающих гравитационных сил А — самое простое из всех возможных решений. До 1998 года, пока отталкивающая гравитация еще не стала популярной концепцией, изучать в подробностях условия возникновения отталкивающей гравитации не было необходимости. После 1998-го все изменилось: сразу появилось множество теоретических моделей, в которых фигурировала отталкивающая гравитация. Сейчас все эти модели объединены общим понятием темной энергии. То есть А — это определенная модель темной энергии, но не первая попавшаяся, а простейшая и наиболее популярная форма темной энергии. Да и к тому же, кажется, она неплохо подтверждает наши наблюдения. И еще А — наиболее старая модель темной энергии. Эйнштейн «придумал» ее еще в 1917 году.

Специальная теория относительности

В 1905 году двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн (1879–1955) опубликовал статью, описывающую то, что сам он назвал специальной теорией относительности. Так он решил проблему несоответствия между уравнениями Максвелла и законами Ньютона. В теории Ньютона существует единое пространство, своего рода четко определенная система координат, по отношению к которой можно измерить любое движение. Согласно Ньютону, свет движется со скоростью с относительно этой системы. Но если вы бежите с огромной скоростью вслед за световой волной, то, согласно теории Ньютона, почувствуете, что волна движется относительно вас со скоростью ниже с. Значит, вполне реально догнать и даже обогнать световую волну. Однако уравнения Максвелла прогнозируют, что свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью г, независимо от того, кто ее измеряет. Теории Максвелла и Ньютона — взаимоисключающие. Из этой ситуации Эйнштейн вышел, отказавшись от идеи единства пространства. Вместо этого он полагал, что имеет смысл измерять движение только относительно наблюдателя (отсюда и название теории относительности). В то же время он соглашался с выводами Максвелла о том, что скорость света всегда будет одинаковой. А это порождает ряд парадоксов. Разберем один из них.