Дополнительные наблюдения
Космология сделала гигантский шаг вперед за 70 с небольшим лет. Еще в 1920 году шли споры о том, есть ли другие «островные вселенные» за пределами Млечного Пути. Сейчас тогдашние споры кажутся смехотворными. Но что получается теперь? Расширяющаяся Вселенная полна материи, влекущей другую материю силой притяжения. Расширение ускоряется, поэтому влияние силы тяжести подавляет что-то еще, и это не обычная материя, и не темная.
Астрономы воспринимали лямбду-член просто как один из символов в уравнении. Она может равняться нулю, а может и не равняться. Если вы верите в полезность сверхновых типа Ia для космологии и если уверены, что проверили все полученные результаты, то вы принимаете ее значение. Брайан Шмидт понимал последствия положительной лямбды для инфляционной теории, а Адам Рисс не понимал. Для ученых, занимающихся физикой частиц, положительная лямбда создавала новую проблему. Для них это не было какое-то число, это было свойство космоса. А космос с точки зрения физики частиц – это не пустота, это фантасмагория виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Частицы не только существуют, но и обладают энергией, как показали эксперименты. А энергия взаимодействует с гравитацией.
Хендрик Казимир, голландский физик (1909–2000)
И тут мы уже имеем дело с так называемым эффектом Казимира, названным в честь голландского физика, предсказавшего это явление в 1948 году, в дальнейшем оно было подтверждено экспериментально. Это эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц.
Так что сама по себе положительная энергия не была ничем удивительным. Теоретики даже говорили о двух формах энергии вакуума. Одна форма постоянна в пространстве и времени и называется космологической постоянной. Другая будет варьироваться в пространстве и времени, и ее назвали квинтэссенцией. Физики стали говорить астрономам, что лямбда и космологическая постоянная не идентичны, а астрономы использовали их как взаимозаменяемые понятия. Физики стали предлагать новые термины. На конференции в «Фермилаб» в мае 1998 года было предложено «забавная энергия» (funny energy), причем слово funny имеет в английском языке еще одно значение – «подозрительный, нечистый». Это название не прижилось, а следующее, «темная энергия» (dark energy), преднамеренно намекающее на связь и схожесть с темной материей, закрепилось.
Проблема заключалась в том, что плотность энергии во Вселенной после изучения сверхновых получалась очень разной. Квантовая механика предсказывала значение гораздо больше (во многие разы!), чем измеряли астрономы. Причем разница была слишком большой даже для космологии, как шутили ученые. Под влиянием такой невероятно большой плотности энергии космос растягивался уж слишком сильно – вы не смогли бы увидеть кончик своего носа. Да и Вселенной при таких значениях, похоже, не было бы – ни для вас, ни для кончика вашего носа. Всех устраивало значение лямбды 0,6 или 0,7 от критической плотности, вычисленное астрономами. Поэтому специалисты по физике частиц решили, что в будущем найдется математик, который эту проблему каким-то образом решит, и кто-то догадается, как частицы аннигилируют друг друга в нужной пропорции, чтобы получился результат: лямбда = 0.
Еще недавно движения галактик не имели смысла, пока не был сделан вывод о существовании темной материи. Светимость сверхновых не находила объяснений, пока не пришли к существованию темной энергии. Однако просто потому, что положительная лямбда решает много проблем, не означает, что она существует. С другой стороны, то, что положительная лямбда создает проблему, не означает, что ее не существует! Требовались дополнительные наблюдения, о чем в частности заявил Алекс Филиппенко в ответ на обвинения одного физика-теоретика в том, что астрономы-наблюдатели только зря тратят ценное время, используя, например, дорогой телескоп «Хаббл» – ведь нет теории, которая была бы совместима с не-нулевой энергией вакуума, причем как с малым значением лямбды, то есть от 0,6 до 0,7, как и полученным специалистами по физике частиц, превышающим его во много-много раз. В ответ на это Алекс Филиппенко и сказал, что он знает только, в какой конец телескопа нужно смотреть, а после дополнительных исследований астрономы или подтвердят свою теорию, или найдут, где ошиблись. Только наука, только новые наблюдения смогут подтвердить положительное значение лямбды.
Астрономы сделали то, что в таких случаях делают ученые. Они принялись доказывать, что эффекта не существует. Что они упустили, вызывающее такой эффект, – почему далекие сверхновые кажутся более тусклыми, чем должны?
Сразу же было предложено два решения. Первое – это какая-то экзотическая пыль. Астрономы знали, что обычная галактическая и межгалактическая пыль делает свет краснее, и знали, как провести коррекцию с учетом пыли – во многом благодаря Адаму Риссу, который в 1999 году даже был удостоен премии Трамплера за предложенный им метод корректировки (эту премию вручают за необычные, но важные открытия для астрономии). Теперь же астрономы говорили про серую пыль, присутствующую между галактиками. Как сказал Адам Рисс, никто никогда не видел серую пыль между галактиками, но с другой стороны, никто никогда не видел и космологическую постоянную!
Другое объяснение тусклости сверхновых на больших расстояниях – это результат того, что эти сверхновые были другими в молодые годы Вселенной. А что если природа сверхновых типа Ia изменилась за время существования Вселенной, и состав относительно близких сверхновых отличается от состава более далеких? Может, там другой «коктейль» элементов, поэтому они кажутся более тусклыми, и таким образом создается иллюзия, что они находятся дальше.
Если интерпретация данных о сверхновых правильная, то мы живем во времена, когда темная энергия доминирует над материей, антигравитационная сила темной энергии выигрывает в схватке с гравитационной силой материи. В таком случае расширение Вселенной ускоряется и, как выяснили две группы ученых отдельно друг от друга, далекие сверхновые кажутся более тусклыми, чем мы ожидаем.
Однако в более ранние эпохи Вселенная была меньше и, соответственно, имела большую плотность. Чем раньше, тем меньше была Вселенная и тем больше ее плотность, а чем больше плотность Вселенной, тем больше кумулятивное гравитационное влияние материи. Если бы астрономы могли заглянуть в прошлое, то сумели бы добраться до эпохи, когда доминирующей была темная материя. Тогда гравитационное влияние темной материи выигрывало схватку с антигравитационной силой темной энергии. Расширение Вселенной замедлялось, а сверхновые из той эпохи казались бы ярче, чем мы ожидаем.
Но это не относится к сверхновым, которые мы видим сквозь серую пыль, или сверхновым, которые состояли из более простого набора элементов в ранней Вселенной. Эти сверхновые все равно будут казаться более тусклыми, куда бы мы ни смотрели.
Ник Сунцефф, Алекс Филиппенко, Рон Гиллилэнд, Марк Филипс
Чтобы разделить эти два сценария – темная энергия против серой пыли или изменяющегося состава сверхновых – нужно провести наблюдение за достаточно далекой сверхновой, которая взорвалась в раннюю эпоху, гораздо более далекую от нашего времени. Нужна сверхновая, которая взорвалась до «поворота» расширения Вселенной – до того как расширение Вселенной перешло с замедления на ускорение, когда материя, а не энергия побеждала в схватке. Эта сверхновая должна быть ярче, чем «следовало бы». Ее нужно найти или заново задуматься о темной энергии.
Телескопы, установленные на земной поверхности, не видят так далеко. Обнаружить сверхновые на таком расстоянии мог только космический телескоп «Хаббл».
В 1995 году «Хаббл» на протяжении десяти дней сверлил дыру в небе размером с песчинку и впитывал фотоны, глядя глубже и глубже в пространство космоса, а поэтому дальше и дальше назад во времени. В конце набралось около трех тысяч галактик, некоторые были лишь туманными и одними из первых появившихся во Вселенной.
В 1997 году Рон Гиллилэнд и Марк Филипс хотели повторить эксперименты охотников за сверхновыми начиная с 1930-х годов: сравнить картину двухлетней давности с нынешней и посмотреть, что изменилось. Появилась ли в какой-то из галактик новая supernova, которой не было два года назад?
Появились две. Они получили названия SN 1997f и SN 1997fg. Гиллилэнд и Филипс не могли сделать фотометрию, так как не имели возможности использовать «Хаббл» для последующих наблюдений и сравнений, что позволило бы им построить кривые блеска. Но они в любом случае доказали, что можно использовать «Хаббл» для открытия сверхновых на расстояниях, недоступных для установленных на Земле телескопов.
