10
Вспышки и столкновения
Повсюду в космосе мы видим вспышки, которые сопровождают смерть гигантов и столкновения темных звезд. Эти вспышки освещают наиболее яркие, наиболее удаленные и наиболее интересные для нас события космической жизни.
Тьма поднимается
Какая-то таинственная сила раздвигает Вселенную. Что это за сила, мы не знаем. Она присутствует везде, но мы ее не видим. Она составляет более двух третей всей энергии во Вселенной, но мы понятия не имеем, откуда она берется и из чего состоит. По крайней мере, у нас есть эффектное название для этой субстанции – темная энергия.
Еще два десятилетия тому назад мы полагали, что расширение Вселенной замедляется. Но в 1998 году астрономы были крайне удивлены, проанализировав яркость далеких сверхновых типа Ia (см. главу 6). Поскольку светимость у всех сверхновых этого типа примерно одинакова, такие сверхновые могут использоваться в качестве «стандартных свечей»: чем слабее выглядит ее вспышка, тем дальше она находится. Из-за низкой светимости многих вспышек сверхновых считалось, что они находятся дальше, чем можно было предполагать. Такое впечатление, что в какой-то момент пространство начинает расширяться быстрее, как будто его расталкивает неведомая сила – сила, противодействующая притяжению материи (см. рис. 10.1).
Наверняка мы можем сказать лишь одно – темная энергия является отличной пищей для умов физиков-теоретиков. Они придают ей сотни разных форм и фантастических смыслов. Самая простая и безобидная форма темной энергии – это космологическая постоянная, и даже она выглядит небылицей. Космологическая постоянная трактуется как плотность энергии вакуума, присущая самому пространству, которая в рамках Общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. Эта плотность энергии возрастает по мере расширения пространства, и по сравнению с ослабевающим гравитационным притяжением все более рассеянного вещества отталкивание становится сильнее. Чтобы объяснить существующее ускорение Вселенной, космологическая постоянная должна иметь величину порядка 1 джоуля на кубический километр пространства. В общей массе-энергии наблюдаемой Вселенной темная энергия занимает две трети, и только одна треть приходится на темную материю и нормальное вещество.
Физика элементарных частиц объясняет наличие собственной энергии у пустого пространства так: в пузырящемся, непредсказуемом квантовом вакууме все время появляются и исчезают виртуальные частицы. Проблема заключается в том, что, согласно теории, эти частицы должны иметь слишком высокую плотность энергии – 10120 джоулей на кубический километр.
Это катастрофическое несоответствие побудило физиков-теоретиков создать целый сонм альтернативных теорий. Например, предлагали такой вариант: темная энергия может быть своего рода эфиром – особой сущностью, наполняющей космическое пространство. Эта гипотетическая среда сродни энергетическому полю, пронизывающему все пространство; она может меняться со временем и, возможно, даже сгущаться в отдельных местах. Другая гипотеза: темная энергия – это модифицированная форма гравитации, которая на больших расстояниях начинает отталкивать, а не притягивать объекты. Есть множество совсем заумных предположений, например, что наличие темной энергии указывает на потерю квантовой информации или на присутствие радиоволн с длинами в триллионы раз больше, чем наблюдаемая Вселенная.
Очень интересно было бы выяснить, меняется ли темная энергия со временем. Если да, то, по крайней мере, космологическую постоянную можно вывести за скобки. В большинстве моделей, которые трактуют темную энергию как своеобразный эфир, энергия медленно рассеивается по мере расширения пространства, хотя есть и такие модели, где она усиливается и «подкачивается» за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также меняется. Она может даже возрастать на некоторое время, а потом пойти на убыль, или наоборот.
Судьба Вселенной висит на волоске. Если темная энергия останется постоянной, преобладающая часть космического пространства продолжит разлетаться во все стороны, и мы останемся в маленькой островной Вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если же темная энергия усиливается, то в конце концов она разорвет всю материю в клочья или даже сделает ткань пространства неустойчивой здесь и сейчас. Наиболее точная к настоящему времени оценка основана главным образом на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно постоянна. Есть предположение, что она немного увеличивается, но неопределенность этих оценок слишком велика, и беспокоиться об этом увеличении пока нет повода.
В настоящее время астрономы прилагают огромные усилия, чтобы более точно установить поведение темной энергии. Существует ряд проектов, например, Dark Energy Survey («Исследование темной энергии»), посвященных поиску красноречивых свидетельств существования темной энергии в широких сегментах на небе. В рамках этих проектов наблюдают много новых сверхновых, определяют положения миллионов галактик, чтобы выявить звуковые волны, оставшихся от Большого взрыва, и подсчитывают количества скоплений галактик, образовавшихся на разных этапах развития космоса – на все эти процессы различными путями влияет темная энергия.
Еще более впечатляющая охота за темной энергией стартует через несколько лет – как с помощью специальных космических миссий вроде космического телескопа «Евклид», так и посредством гигантских наземных телескопов нового поколения: Большого синоптического обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope), Тридцатиметрового телескопа (Thirty Meter Telescope), Европейского чрезвычайно большого телескопа (European Extremely Large Telescope) и Гигантского Магелланова телескопа (Giant Magellan Telescope).
Мало кто рассчитывает, что охота за темной материей увенчается успехом в ближайшем будущем. Ученые строят догадки о сущности темной материи вот уже двадцать лет, и пока безрезультатно. Но с другой стороны, у нас есть ключ к той двери, за которой могут лежать ключи к разгадке.
Рис. 10.1. Научные данные указывают на то, что некий фактор ускоряет расширение Вселенной.
Интервью. Мы раскрыли космическую тайну
Адам Рисс с Солом Перлмуттером и Брайаном Шмидтом получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике за открытие ускоренного расширения Вселенной. В настоящее время Рисс работает в университете Джона Хопкинса и в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа (г. Балтимор, штат Мэриленд, США). Корреспондент журнала New Scientist взял у Рисса интервью в 2011 году, после вручения ему Нобелевской премии.
– Наши поздравления! Где вы находились, когда получили известие об этой новости?
– Спасибо. Я был дома. Это случилось в 5:30 утра. Я пытался уснуть. Моему сыну 10 месяцев, и он плохо спит по ночам. Когда прозвенел звонок, я надеялся, что он заснет и мне наконец удастся поспать. Настоящее светопреставление!
– Что именно открыли вы с Перлмуттером и Шмидтом?
– Независимо друг от друга мы наблюдали близкие и далекие сверхновые, чтобы оценить скорость расширения Вселенной в различные моменты ее эволюции. Нам удалось установить, что расширение Вселенной, вопреки ожиданиям, не замедляется, а ускоряется.
– Вы работали в Калифорнийском университете в Беркли в это время. Перлмуттер со своей группой также находился в Беркли. Была ли между вами конкуренция?
– Да, было состязание между нашими группами. Мы оба знали, что собираем данные об одинаковых объектах и что научные поиски такого рода никто еще не проводил. Никто из нас не хотел быть вторым или, тем более, оказаться на задворках исследования. Время от времени я встречался с этими ребятами. Мы даже немного общались. Сол был настолько любезен, что договорился, чтобы мне выделили парковочное место в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли [где он до сих пор и работает]. Чтобы добраться до работы, я обычно спускался с холма на территорию кампуса [Калифорнийского университета] в Беркли.
– У Эйнштейна была идея, что пространство-время имеет внутреннюю плотность энергии, которая не меняется со временем. Он назвал эту величину космологической постоянной, но позднее отрекся от нее и назвал ее своей «самой большой ошибкой». Ваша работа подтверждает или опровергает эту идею?
– Она знаменует собой впечатляющий успех Общей теории относительности Эйнштейна. С тех пор, как Эйнштейн выдвинул свою теорию, прошло несколько десятков лет. За это время мы обнаружили во Вселенной очень много экзотических явлений, и все они соответствуют его теории. Многие были даже предсказаны с ее помощью.
– Еще совсем недавно астрономы не могли даже претендовать на Нобелевскую премию.
– Вы правы. Я могу назвать открытия, сделанные в космологии, которые вполне могли бы претендовать на Нобелевскую премию: открытие расширения Вселенной, то есть размера Вселенной; наблюдения, указывающие на существование темной материи как источника дополнительной гравитации. Они фундаментальны для нашего понимания физических явлений.
– Вам только 41 год. Что Вы собираетесь делать дальше?
– Ну, на этой неделе еще будут вручать литературную премию, а потом премию по экономике. Я шучу [смеется]. До того, как я узнал о Нобелевской премии, я начал заниматься несколькими интересными проектами и собираюсь продолжать работать над ними. Они связаны с космическим телескопом «Хаббл» и проблемой измерения расстояний на более близких интервалах.
