Если мы хотим узнать что-нибудь о далеком будущем космоса, нам лучше обратиться к гигантскому невидимому постоянно расширяющемуся слону-убийце: к темной энергии. После того как в 1998 году было выяснено, что Вселенная расширяется с ускорением, новая парадигма сформировала для нас будущее, в котором преобладает темная энергия, – будущее, где космос постепенно становится все более пустынным, холодным и темным, до тех пор, пока все структуры не распадутся и Вселенная не достигнет состояния тепловой смерти. Однако это лишь экстраполяция, основанная на предположении, что темная энергия представляет собой неизменную космологическую постоянную. Как мы уже говорили, если то, что отвечает за ускоренное расширение пространства, относится к категории фантомной темной энергии или каким-то образом меняется со временем, последствия для космоса будут совершенно иными.

К сожалению, темная энергия не поддается непосредственному наблюдению. Насколько мы можем судить, ее нельзя обнаружить в ходе лабораторных экспериментов, она невидима, равномерно распределена в пространстве и становится заметной лишь благодаря косвенным эффектам в масштабах, значительно превышающих размер нашей галактики.

Вообще говоря, мы можем исследовать лишь две вещи. Во-первых, историю расширения Вселенной, которую мы в настоящее время изучаем, глядя на очень далекие сверхновые и вычисляя скорость их удаления. Во-вторых, историю формирования структуры Вселенной, под которой мы подразумеваем галактики и их скопления, поскольку космологов мало интересуют такие мелочи, как звезды и планеты. В данном случае процесс измерения является гораздо более сложным, но позволяет творчески использовать огромные массивы данных. Хитрость в том, чтобы получить изображения и спектры как можно большего числа галактик на гигантском пространстве (и большом отрезке космической истории), а затем с помощью статистических методов сделать выводы о процессе формирования этих структур. Комбинируя эти два способа измерения, мы можем выяснить, как растягивающие пространство свойства темной энергии повлияли на Вселенную в целом и насколько сильно они препятствовали объединению материи в такие структуры, как галактики, их скопления и мы сами.

Когда у вас есть лишь две вещи, которые вы можете измерить, чтобы определить судьбу Вселенной, имеет смысл постараться и сделать это как можно точнее. В последние двадцать лет наблюдался всплеск интереса к новым телескопам и методам съемки, применяемым в том числе для исследования темной энергии. Некоторые из них предназначены для выяснения значения параметра уравнения состояния темной энергии (см. главу 5) на основе результатов измерения скорости расширения и роста структур. Если на протяжении всей истории космоса значение w остается равным -1, мы имеем дело с космологической постоянной. А если оно хотя бы немного отклоняется от этого значения, то мы получим множество Нобелевских премий. Однако даже среди астрономов, не интересующихся темной энергией или не верящих в возможность обнаружения чего-то кроме космологической постоянной, исследования темной энергии пользуются популярностью в качестве универсальной миссии по сбору данных о галактиках.

Прекрасным примером является Большой обзорный телескоп (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), недавно переименованный в обсерваторию имени Веры Рубин (VRO, Vera C. Rubin Observatory). Этому телескопу размером 8,4 метра, расположенному в горах Чили, предстоит сфотографировать несколько миллионов сверхновых и 10 миллиардов галактик, производя съемку южного неба каждые несколько дней. Такая повторная съемка отлично подходит для исследований сверхновых, поскольку позволяет нам наблюдать за увеличением и уменьшением их яркости на протяжении нескольких дней, пока виден взрыв. Однако этот метод исследования отлично подходит и для изучения удаленных галактик, которые невозможно рассмотреть другими способами, поскольку позволяет накладывать друг на друга снимки, сделанные в разное время.

(В качестве отступления. Недавно я посетила конференцию на тему «Планетарная оборона», где докладчики обсуждали методы наблюдений, позволяющие обнаруживать потенциально опасные астероиды, которые могут столкнуться с нашей хрупкой маленькой планетой. Благодаря телескопу VRO мы сможем значительно раньше замечать такие объекты, по крайней мере в южном небе, а значит, у нас будет больше шансов их остановить. Меня очень радует мысль, что попытки понять темную энергию, которая грозит Вселенной гибелью, могут помочь нам спасти мир в краткосрочной перспективе.)

В каких бы целях ни использовался телескоп VRO, его значение для космологии невозможно переоценить хотя бы потому, что предоставленный им огромный массив качественных данных повышает вероятность того, что мы найдем что-то новое и удивительное. По словам Пейрис, VRO способен изменить правила игры. «Теперь мы видим Вселенную не так, как прежде, – сказала она. – А каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную иначе, мы узнаем что-то новое».

VRO – это далеко не единственная многообещающая программа наблюдений. В настоящее время появляется множество новых телескопов и способов съемки, и каждый способен показать нам космос таким, каким мы его еще не видели. К наиболее перспективным относится класс новых космических телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST, James Webb Space Telescope), телескоп «Евклид» (Euclid) и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST, Wide Field Infrared Survey Telescope), которые будут делать снимки глубокого космоса в инфракрасном диапазоне, позволяя нам увидеть галактики, находящиеся от нас так далеко, что весь их свет сместился из видимой в инфракрасную область спектра.

Даже обсерватории, изучающие реликтовое излучение, подключились к исследованию темной энергии. В главе 2 мы говорили о том, что изучение реликтового излучения может рассказать нам о ранней Вселенной и происхождении структуры космоса. В то время, когда был испущен свет реликтового излучения, темная энергия не играла во Вселенной никакой роли, ее эффект полностью компенсировался экстремальной плотностью вещества и излучения. Поэтому вас может удивить тот факт, что наблюдение реликтового излучения можно использовать, чтобы получить представление о текущем поведении темной энергии. Хитрость в том, что вся космическая структура, которую мы стремимся изучить, – все галактики и их скопления – находится между нами и реликтовым излучением, и каждый из этих объектов своей гравитацией слегка искривляет пространство, в котором находится.

Представьте, что у вас есть снимок пруда с чистой водой, сквозь которую видна галька на дне. Даже если вам неизвестно точное расположение и форма каждого камешка, вы, вероятно, сможете заметить разницу между спокойной и подернутой рябью водой, сравнив искаженный вид камешков с имеющимся у вас представлением о том, как они должны выглядеть. Подобным же образом мы можем, по крайней мере, в статистическом смысле, выявить небольшие вызванные веществом искажения в свете реликтового излучения. Так называемое линзирование реликтового излучения представляет собой фантастический инструмент для изучения процесса роста космической структуры. Мы надеемся усовершенствовать данный метод с помощью новых обсерваторий, предназначенных для исследования КМФИ, однако мы уже использовали эффект линзирования для составления карты распределения всей темной материи в наблюдаемой Вселенной. Разумеется, эта карта имеет очень низкое разрешение и напоминает размытую карту мира, воспроизведенную по памяти с помощью отпечатков пальцев, тем не менее тот факт, что мы вообще способны сделать что-то подобное, весьма впечатляет.

Рене Гложек, космолог из университета Торонто, использует карты реликтового излучения и галактик для лучшего понимания нашей космологической модели, в частности, темной энергии и конечной судьбы Вселенной. Она отмечает, что комбинирование наборов данных, собранных телескопами вроде VRO, и новыми обсерваториями, изучающими КМФИ, позволит добиваться все более значительных результатов по мере расширения этих наборов. Используя технику под названием «взаимная корреляция», мы можем сравнить данные о положении объектов из каталогов галактик с полномасштабной картой распределения вещества, составленной на основе эффекта линзирования реликтового излучения. Это позволит нам получить более точные результаты и уменьшит вероятность того, что мы упустим какие-либо отклонения от модели Лямбда-CDM. По словам Гложек, альтернативные теории, использующие изменения в гравитации для имитации эффектов темной энергии, в объединенных наборах данных будут выглядеть совсем иначе. «Я думаю, спрятаться им будет просто негде».

Что еще интересного можно увидеть, располагая изображениями миллиардов галактик? Во-первых, можно наблюдать эффект сильного гравитационного линзирования, который заключается в том, что галактика (или скопление галактик) так сильно искажает окружающее пространство, что свет от объекта, находящегося непосредственно за ней, расщепляется на несколько изображений или распространяется в виде огибающей галактику дуги.

Представьте, что вы смотрите на свечу сквозь изогнутое стекло в основании пустого бокала. При этом вы увидите пламя в виде дуги или круга. В случае гравитационной линзы отдельные изображения формируются вследствие искривления траекторий разных лучей света. Это означает, что, если в линзируемой галактике вспыхнет сверхновая, на каком-то изображении она появится раньше, чем на другом, поскольку свет, формирующий второе изображение, добирается до нас по более длинному пути.

Помимо того, что с помощью этого трюка вы можете произвести впечатление, подобные задержки во времени предоставляют новый способ измерения скорости расширения Вселенной, поскольку при вычислении таких огромных расстояний данный параметр становится очень важным фактором. А мы отчаянно нуждаемся в новых способах измерения скорости расширения пространства, поскольку наши нынешние методы дают слишком разные результаты.

Как вы помните из главы 5, при измерении скорости расширения (также известной как постоянная Хаббла) с использованием сверхновых мы получаем одно число, а при измерении с помощью реликтового излучения – другое. Результаты альтернативных измерений, склоняющиеся в ту или иную сторону, не помогли разрешить это противоречие. (Недавно мы получили некую среднюю величину, которая, к сожалению, не согласуется ни с одним из значений.) Измерение задержки, вызванной гравитационным линзированием, может помочь в решении этой проблемы, поскольку благодаря телескопу VRO количество систем, которые мы можем для этого использовать, увеличится с нескольких единиц до сотен. Результаты измерения гравитационных волн с помощью таких инструментов, как LIGO (см. главу 7), также будут нелишними, а в течение следующего десятилетия они могут достичь уровня точности, необходимого для окончательного разрешения данного вопроса.