13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Сверхновые звезды типа 1а редки. В типичной галактике вроде Млечного Пути за тысячу лет взрываются две-три такие звезды. Но, сфотографировав десятки участков неба, в каждом из которых содержатся сотни тусклых галактик, оба коллектива гарантированно могли застать несколько таких случаев. Если принять, что в одной галактике за тысячу лет появляются две сверхновых, то, изучив 50 тысяч галактик, можно с уверенностью ожидать увидеть примерно 100 взрывов в год. Это позволит изучить Вселенную на очень значительных дистанциях, что из-за ограниченности скорости света предполагает ее изучение в отдаленной исторической перспективе. Ученые рассчитывали, что среди прочих полученные данные можно будет использовать для измерения степени замедления расширения Вселенной по мере влияния гравитации на ускорение, приданное ей Большим взрывом.

Результаты обоих исследований начали публиковаться в 1998 году: среди них были данные по сверхновым, вспыхнувшим в период, когда Вселенной было примерно вдвое меньше лет, чем сейчас. К удивлению обоих научных коллективов, у них получилось, что галактики, в которых расположены далекие сверхновые, удаляются от нас с меньшей скоростью, чем предполагаемая их красным смещением (если исходить из того, что постоянная Хаббла всегда имела значение, определенное на основе данных более близких к нам галактик). Иными словами, в прошлом Вселенная расширялась не быстрее, чем сейчас, а медленнее – этого никто не ожидал[196]. Если она расширялась медленнее, то достичь современного состояния она должна была за более долгий, чем ранее предполагалось, промежуток времени. Другими словами, данные сверхновых говорят, что возраст Вселенной значительно больше 9 млрд лет. Насколько больше, об этом должно было сказать новое поколение спутниковых телескопов.

Если в прошлом Вселенная расширялась медленнее, значит, сейчас она расширяется быстрее. «Расширение Вселенной ускоряется» – именно так выглядели заголовки массмедиа после публикации выводов исследования. Что-то толкает Вселенную изнутри с силой, которая (почти наверняка) достаточна, чтобы превозмочь гравитацию и заставить ее расширяться вечно и все быстрее. Это что-то получило название темной энергии.

Самое простое объяснение этого понятия сводится к тому, что темная энергия есть воплощение космологической постоянной, лямбды (Λ)[197]. Если она действительно постоянна и имела одно и то же (небольшое) значение с момента Большого взрыва, то в каждом кубическом сантиметре пространства всегда должно было содержаться одно и то же количество темной энергии. «Новая» темная энергия создается по мере расширения Вселенной, чтобы заполнить возникающее дополнительное пространство. Кажется, мы это уже где-то слышали?.. С математической точки зрения это та же идея, от которой отказался Эйнштейн и которую развивал Фред Хойл в виде космологии полей творения (C-field), только С в уравнениях надо будет заменить на Λ и принять, что плотность материи по мере расширения Вселенной сокращается, а плотность темной энергии остается стабильной[198]. Темная энергия придает космосу некую упругость, толкая его наружу, а гравитация стягивает его обратно. Поначалу, сразу после Большого взрыва, сила притяжения имеет преимущество, потому что темной энергии еще не так много. Это замедляет расширение Вселенной. Но плотность темной энергии сохраняется независимо от сокращения плотности материи, и это ослабляет действие гравитации. В какой-то важный момент, миллиарды лет назад, темная энергия пересилила, и с этого времени расширение Вселенной ускорилось.

Но это еще не все. Эйнштейн учил, что материя и энергия – одно и то же. Имеющаяся во Вселенной темная энергия с точки зрения гравитации выступает подобно материи, несмотря на пружинистость, сообщаемую ею космосу. Грубо говоря, количество темной энергии, необходимое для объяснения наблюдаемой ситуации, в гравитационном плане должно быть примерно вдвое больше, чем количество материи (барионной и темной вместе) во Вселенной. Если Вселенная все-таки плоская и примерно одну треть из ее содержимого составляет материя, а две трети – темная энергия, связанная с космологической постоянной, то все сходится и никакой барионной катастрофы не существует. В 2011 году руководители обоих научных коллективов получили за свою работу Нобелевскую премию. В официальной аннотации к премии говорится: «Открытие стало полной неожиданностью даже для самих лауреатов». Однако оно не стало полной неожиданностью для космологов, которые уже поняли, что космологическая постоянная все-таки пригодится науке.

Это открытие стало той недостающей деталью головоломки, которая позволила сложить принятую ныне классическую космологическую модель, получившую название ΛCDM (лямбда-си-ди-эм, от космологической постоянной и холодной темной материи – cold dark matter), поскольку в нее входят оба понятия. История космологических изысканий первых пятнадцати лет XXI столетия стала историей довольно успешных попыток уточнить параметры этой классической модели, в том числе возраст Вселенной. Этим мы во многом обязаны экспериментам, проведенным на борту двух спутников, известных как WMAP и «Планк»[199].

«Прослушка» Вселенной

Мысль о том, что всего примерно 5 % Вселенной состоит из знакомой нам барионной материи, еще около 25 % приходятся на долю холодной темной материи, которая не похожа ни на что известное нам, а все остальное имеет форму темной энергии, не укладывается в головах даже у тех, кто вроде меня думал о космосе с детства. Иногда меня спрашивают, почему раньше никто ничего подобного не замечал? В таких случаях лучшее, что я могу сделать, – это записать на доске, насколько мало темной энергии содержится в каждом кубическом сантиметре пространства.

Материя не распределена по Вселенной равномерно, а образует сгустки, из которых формируются галактики, звезды и люди. Но поле Ʌ однородно и эквивалентно 10−27 грамма на кубический сантиметр, причем это не сантиметр пустого пространства, а любой кубический сантиметр во Вселенной. Существующие в настоящий момент технологии не позволяют уловить столь микроскопический уровень энергии. В объеме всей нашей планеты содержится количество темной энергии, примерно равное количеству электроэнергии, которое расходовал средний гражданин США за год в начале XXI века. В сфере, имеющей размер Солнечной системы вплоть до орбиты Урана, столько темной энергии, сколько электромагнитной энергии (тепла и света) излучает Солнце за пару часов. Чтобы прочувствовать влияние космологической постоянной, нужно мыслить в масштабах всей Вселенной, и здесь нам на помощь приходят спутники.

Наблюдения за реликтовым излучением могут указать нам на момент, когда Вселенная стала прозрачной и электромагнитные лучи начали свободно проникать через космос. Это произошло чуть менее чем через 400 тысяч лет после той доли секунды, в которую произошла инфляция. До этого момента Вселенная была столь горячей, что нейтральные атомы не могли существовать и кругом было море заряженных частиц – электронов и ядер (преимущественно водорода и гелия), взаимодействовавших с электромагнитным излучением. Помимо всего прочего, такие взаимодействия зафиксировали открытые СОВЕ квантовые флуктуации; эти первичные случаи анизотропии сохранились во время инфляции, в первую долю секунды жизни Вселенной. Когда она остыла примерно до нынешней температуры Солнца (около 6000 К), смогли образоваться незаряженные атомы и излучение начало распространяться беспрепятственно. По той же причине внешней частью Солнца при этой температуре испускается электромагнитное излучение, образующее его видимую поверхность. В случае с Вселенной место, где это происходит, получило название «поверхности последнего рассеяния»[200]. Неоднородности в излучении были, однако, результатом не только анизотропии, сохранившейся в результате инфляции. Излучение не оставалось без влияний в период между инфляцией и последним рассеянием. То, как в первые несколько сотен тысяч лет существования Вселенной по ней распределялась материя, оставило после себя небольшой след в виде вторичных флуктуаций реликтового излучения. Этот след невелик и не составляет даже одной стотысячной от первичных флуктуаций, но вдохновленные успехом СОВЕ ученые решили попытаться измерить его, чтобы лучше понять происхождение и эволюцию Вселенной.

Истинная природа этих случаев анизотропии – флуктуаций – определяется соотношением двух противоречащих друг другу явлений расширяющейся Вселенной. Концентрированные множества барионов (по сути, находящиеся внутри объемов темной материи, которая, впрочем, не взаимодействует с электромагнитным излучением) образуют гравитационное сжатие и усугубляют проявления анизотропии. Но пока материя достаточно горяча, чтобы взаимодействовать с электромагнитным излучением, быстро движущиеся фотоны (частицы электромагнитного излучения) имеют тенденцию к разглаживанию неоднородностей в распределении барионов. Противостояние этих двух явлений приводит к таким эффектам, как барионные акустические осцилляции (БАО). Это своеобразные волны давления (звука) в веществе юной Вселенной. Из-за взаимного влияния материи и излучения одни длины волн усиливаются, а другие затухают. Получающаяся комбинация длин волны несет в себе множество данных о Вселенной, если человек в состоянии ее интерпретировать.