Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

3.1. Так экзотична, так проста!

Как я упоминал в начале книги, считается, что Вселенная состоит на 5 процентов из обычной материи, на 25 — из темной материи и на 70 — из темной энергии. Только представьте: больше половины книги уже позади, но только сейчас мы приступаем к главному ингредиенту Вселенной — темной энергии. Почему же ей достается намного меньше внимания, чем темной материи? Одна из причин, конечно же, заключается в том, что мы уже потратили много времени на изучение общих свойств Вселенной и способов наблюдения за ними. Мы поняли, что такое скопления галактик и реликтовое излучение. Теперь настало время пожинать плоды наших стараний. Другая причина заключается в том, что мы знаем о темной энергии гораздо меньше, чем о темной материи. Например, нет никаких экспериментов по поиску частицы темной энергии.

Но третья и, возможно, самая основная причина того, почему на темную энергию нам потребуется меньше времени, вот какая: темная энергия ведет себя гораздо проще. Понимаю, звучит странно. Когда явление настолько экзотично, что одновременно и невидимо, и связано с отталкивающей гравитацией, вполне естественно ожидать еще и эффектного поведения. Но именно отталкивающая гравитация обуславливает простоту темной энергии.

На карте реликтового излучения мы наблюдали множество пятен. Узор из пятен говорит о том, что в определенных точках Вселенной материя распределялась чуть более плотно, а в каких-то — чуть менее. Я еще назвал их семенами, из которых впоследствии произросло все во Вселенной. Дело в том, что гравитация притягивает обычную (ну и темную) материю. Силы притяжения заставляли плотные области притягивать к себе все больше и больше материи и становиться еще плотнее. Это, в свою очередь, усиливало гравитацию, а и без того плотные сгустки вещества впитывали еще больше материи. Из-за гравитации неоднородности во Вселенной постоянно усиливаются. А вот и результат: на сегодняшний день неоднородная Вселенная заполнена областями со сгустками материи, такими как скопления галактик, галактики и звезды. Пространство же между ними, по большому счету, пусто.

Этот эффект можно сравнить с распределением людей в большой столовой. Давайте представим, что места там гораздо больше, чем желающих пообедать. Общительным людям во время обеда свойственно садиться рядом. То есть получается, что большинство столов останутся совсем пустыми, в то время как у некоторых и яблоку будет негде упасть. Люди притягивают друг друга и объединяются в несколько групп.

Обратный эффект в той же столовой создают интроверты- одиночки, которые просто хотят спокойно пообедать, читая газету. Тогда можно представить, что между людьми тоже существуют некие отталкивающие силы. Все новоприбывшие из таких одиночек постараются сесть подальше от ближайшего соседа. В результате все рассядутся достаточно равномерно. И вместо скоплений тех, кто любит пообщаться, перед нами появится равномерная и одиночная рассадка.

То же самое происходит и с темной энергией. Отталкивающая гравитация заставляет темную энергию противостоять образованию скоплений. Вместо этого она накрывает Вселенную тонким ровным одеялом. А без скоплений все становится гораздо проще: никаких комков ни в галактиках, ни в скоплениях галактик — все однородно.

(Строго говоря, темная энергия может немного накапливаться, в зависимости от того, что на самом деле из себя представляет. Но космологическая постоянная не образует сгустков темной энергии.)

3.2. Ускоряющееся расширение Вселенной

Темная энергия связана с мощными взрывами звезд, протяженностью волн в миллиарды галактик и судьбой Вселенной. С темной энергией связан также величайший ум прошлого столетия, Альберт Эйнштейн, и его «величайшая ошибка».

Но раз темная энергия распределена по миру равномерно, напрашивается вопрос: как же нам ее обнаружить? Или вообще понять, что темная энергия из себя представляет? А ответ такой: надо изучить историю Вселенной, ведь так отталкивающая гравитация наверняка хоть где-то, да проявит себя.

Вселенная не статична, а постоянно расширяется. Это стало известно уже в 1920-х годах, благодаря наблюдениям, которые вымостили дорогу к современным представлениям о Вселенной, порожденной Большим взрывом. Давайте-ка посмотрим, как открыли расширение Вселенной. Это по меньшей мере просто интересно. А еще метод исследования был практически идентичен тому, при помощи которого спустя почти 70 лет открыли темную энергию.

Все началось в 1915 году. Тогда Альберт Эйнштейн закончил работу над общей теорией относительности — к ней мы вскоре вернемся. Затем американский астроном Весто Слай- фер опубликовал результаты серии измерений, которые показали, что большинство галактик удаляется от нас. Однако измерения Слайфера были довольно неточными, а потому окончательный вывод о расширении Вселенной сделали лишь через несколько лет.

Следующий научный прорыв произошел в 1929 году благодаря наблюдениям американского астронома Эдвина Хаббла. Ученый измерил расстояние до 24 галактик и их красное смещение. Он определил расстояния, измерив яркость цефеид, звезд с известной светимостью, так же как это ранее сделал Фриц Цвикки. И, кстати, красное смещение тоже должно было вам напомнить о Фрице Цвикки и Вере Рубин. Как и эти ученые, Хаббл вспомнил тот факт, что у газов уникальные «отпечатки пальцев» — так называемые спектральные линии, то есть каждый газ излучает световые волны определенной длины. И точно так же, как Цвикки и Рубин, Хаббл обращал внимание на то, насколько смещались эти длины волн, и использовал это впоследствии для измерения скорости удаления или приближения галактик относительно Солнечной системы. Результат оказался ошеломляющим. Выяснилось, что чем больше расстояние между галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления друг от друга. И это едва не перевернуло наши представления о Вселенной.

Жорж Деметр осознал значение наблюдений Хаббла. Фотография, вероятно, сделана в 1933 году.

Хоть исследования и проводил Хаббл, вовсе не ему на ум пришла новаторская и правильная интерпретация данных. А додумался до этого бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр.

(До Леметра это сделал российский ученый А. А. Фридман, опубликовавший в 1922 г. в ведущем европейском журнале «Zeitschrift fur Physik» нестационарные решения уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную. Редактор.)

Еще в 1927 году, за два года до статьи Хаббла, он сформулировал модель Вселенной, которая объясняла наблюдения американского коллеги. К сожалению, работу Леметра опубликовали в небольшом бельгийском научном журнале, а международную известность она получила лишь в 1931 году, после перевода на английский. Для создания модели Вселенной, способной расширяться или сжиматься, Леметр прибег к теории относительности Эйнштейна. Он также показал, что в такой модели расширение приведет к красному смещению света в отдаленных галактиках. Почему?

Когда я рассказывал о реликтовом излучении, мы поняли, что световые волны будут растягиваться и становиться длиннее по мере движения сквозь расширяющуюся Вселенную, прямо как нарисованная на надувающемся воздушном шаре линия. Во Вселенной этот эффект особенно хорошо заметен на отдаленных галактиках. Свет из таких галактик прошел долгий и нелегкий путь. Проходя через постоянно растущую Вселенную, световые волны растягиваются и становятся длиннее. Получаем красное смещение. Такой тип красного смещения называется космологическим (метагалактическим). Чем-то напоминает эффект Доплера, хотя он возникает по совершенно иной причине.

Во время наблюдения красного смещения трудно сказать наверняка, насколько оно обусловлено эффектом Доплера, а насколько — расширением Вселенной. На малых расстояниях, например между ближайшими галактиками и скоплениями галактик, эффект Доплера может быть больше космологического красного смещения. Но по мере увеличения расстояния космологическое красное смещение начинает преобладать, поскольку оно увеличивается с расстоянием, в отличие от эффекта Доплера. Хаббл открыл космологическое красное смещение, так как ему первому удалось провести точные наблюдения за спектрами наиболее далеких галактик.