Вселенная будет расширяться вечно

То же самое можно сказать и о группе Сола Перлмуттера, которая постоянно конкурировала с Брайаном Шмидтом. Используя метод Сола Перлмуттера, описанный выше, они открыли 22 дальние сверхновые, по большей части типа Ia. Они доказали, что могут предсказать дату открытия сверхновой и даже место ее нахождения среди тысяч галактик.

К осени 1997 года у двух групп было достаточно данных, чтобы попытаться найти, по крайней мере, предварительный ответ на вопрос, как сильно замедляется расширение Вселенной и к чему идет Вселенная – Большому хлопку или Большому морозу.

Группа под руководством Сола Перлмуттера заявила, что на основе изучения семи сверхновых типа Ia можно сделать вывод о том, что Вселенная плоская и она не будет вечно расширяться, но и не сожмется в конце концов. Правда, ученые заметили, что это лишь предварительный результат.

Герсон Голдхабер, германо-американский астрофизик (1924–2010)

Что астрономы, физики и астрофизики понимают под словом «плоский»? Когда говорят, что Вселенная плоская, не имеется в виду, что она плоская, как лист бумаги. Речь идет о свойстве трехмерной плоскостности – евклидовой геометрии в трех измерениях. В астрономии евклидов мир является удобной сравнительной моделью окружающего пространства. Материя в таком мире распределена однородно, то есть в единице объема содержится одинаковое количество материи, и она изотропна, то есть распределение материи одинаково по всем направлениям. Кроме того, материя там не эволюционирует (например, не загораются радиоисточники и не вспыхивают сверхновые), а пространство описывается простейшей геометрией. Но ведь сверхновые-то появлялись! То есть получается, что модель плоской Вселенной не соответствует результатам наблюдений. Материя вокруг нас распределена неоднородно и анизотропно (где-то есть звезды и галактики, а где-то их нет), скопления материи эволюционируют, то есть меняются со временем, а пространство, как известно из экспериментально подтвержденной теории относительности, искривлено. Но ученые все равно говорят о плоской Вселенной. Это происходит, потому что в космологии Вселенная рассматривается как целый объект. И как целый объект она обладает определенными свойствами. Например, начиная с некоторых очень больших линейных масштабов (здесь можно рассматривать и 60 мегапарсек, то есть 180 млн световых лет, и 150 Мпк), материя во Вселенной распределена однородно и изотропно. На меньших масштабах наблюдаются скопления и сверхскопления галактик и пустоты между ними, которые называются войдами, то есть однородность нарушена.

Запись в блокноте Адама Рисса, 1997

Герсон Голдхабер из группы Перлмуттера решил составить таблицу из 38 сверхновых, открытых группой из Беркли за время ее работы, основываясь на яркости и красном смещении. Он поместил их в колонки, соответствующие количеству материи, которая требовалась Вселенной (на основании данных по этой сверхновой) для того, чтобы расширение остановилось: от 0 до 20 % необходимой плотности массы, от 20 до 40 % и так далее, до 100 %. Две получившиеся большие колонки (в одной было 10 сверхновых, в другой – 9) показали, что во Вселенной не то что недостаточно материи для остановки расширения, а она находится в минусе! Голдхабер получил отрицательные значения от 0 до минус 40 %. Кто бы мог такое подумать?

Адам Рисс в другой группе работал над статистическим подходом к проблеме. Его задачей было собрать имевшиеся данные по сверхновым на тот момент: все результаты спектроскопии и фотометрии, все вычеты галактик, все кривые блеска, все допуски ошибок – и разработать программное обеспечение, которое поможет сравнить эти данные с миллионами различных моделей Вселенной. Некоторые из этих моделей покажутся просто абсурдными. Но одна из этих Вселенных должна будет соответствовать собранным данным.

Что и произошло. Такая модель нашлась. В ней было недостаточно материи, чтобы замедлить расширение. Мало этого – плотность массы составляла минус 36 %, то есть получалась отрицательной. Это была Вселенная без материи. Эта была несуществующая Вселенная. То есть, можно сказать, что данные двух групп, работавших над вопросом расширения Вселенной, дали один и тот же результат.

Обе группы работали, основываясь на предположении, что Вселенная полна материи и только материи. Конечно, они знали, что часть ее темная, но скрытая масса по сути должна была быть материей. Поэтому ученые предполагали, что только материя будет влиять на расширение Вселенной. Однако если отказаться от этих предположений, результаты, которые, как раньше казалось, смысла не имеют, теперь приобретали смысл. Если во Вселенной на расширение влияет что-то другое (а не материя), во Вселенной, которая состоит из чего-то еще, а не только материи, это что-то объясняет пусть не все, а многое! Изучив данные еще раз, обе группы пришли к выводу, что материя составляет 20 %, или 30 %, или 40 % Вселенной. Но таким образом оставалось 60 %, или 70 %, или 80 % чего-то еще…

Что касается судьбы Вселенной, ученые пришли к выводу, что она будет расширяться вечно. Теперь требовалось решать другой вопрос: с темной материей и новой силой, которую они пока не могли представить.

Алан Гут

В этой книге нельзя не рассказать об Алане Гуте, американском физике и космологе, авторе теории инфляционной Вселенной, окончившего Массачусетский технологический институт, в котором он работает до сих пор. Отправной точкой для разработки этой теории послужило посещение лекции Боба Дикке по «проблеме плоскости». Дикке и Пиблс выступали с лекциями и объясняли слушателям, что судьба Вселенной зависит от того, сколько материи имеется во Вселенной – ее должно быть достаточно, чтобы прекратить расширение.

Алан Гут предложил свою версию теории Большого взрыва. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям Большого взрыва. Но по сути в результате сложных математических выкладок у Гута получился расширяющийся пузырь однородного газа, как описывали теорию Гута его критики, в числе которых оказался и Стивен Хокинг.

Теория Гута и правда имеет ряд недостатков. Например, в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи. Гут проверил совместимость своей инфляционной теории с тремя гипотезами происхождения Вселенной.

Алан Гут, американский физик, космолог, автор теории инфляционной. Вселенной (род. в 1947)

Первой была рассмотрена стандартная теория Большого взрыва. В этом случае, по мнению Гута, расширение (инфляция) должно было произойти на одной из ранних стадий эволюции Вселенной. В соответствии с второй гипотезой Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки были горячими, другие – холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этом случае инфляция должна была начаться в перегретой и расширяющейся области Вселенной. Отдать должное, Гут признает, что эта модель не может объяснить происхождение первичного хаоса. Третья гипотеза – перегретый расширяющийся сгусток материи возникает квантово-механическим путем из пустоты.

Чтобы уравнения правильно описывали инфляционную Вселенную, Гуту пришлось очень точно задавать исходные параметры для своих уравнений, и он столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Гут надеялся избавиться от необходимости задавать точные параметры условий Большого взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию: без параметризации исходного состояния Вселенной невозможно получить наблюдаемое распределение материи. Гут и некоторые его коллеги просто допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Но может ли вообще какая-нибудь версия теории Большого взрыва предсказать наблюдаемое распределение материи во Вселенной?