Глава 6. Напряжение в космосе!

С открытия темной энергии прошло не так много времени, но она уже заняла одно из главенствующих мест в списке самых волнующих вопросов существования Вселенной. К ответам на них ученые так пока и не приблизились, но их можно простить: за этот период астрофизики смогли еще точнее определить параметры, с помощью которых можно описать Вселенную на всем пути ее существования. И они продолжают работать над тем, чтобы еще точнее установить основной из них — скорость расширения. Для ее измерения ученые разработали два метода, почти равноценные по точности, однако их усилия привели к появлению еще одной животрепещущей, провокационной и многообещающей проблемы — оба метода дали совершенно разные результаты.

К такой противоречивости можно относиться по-разному. С одной стороны, воспринимать расхождение результатов как неверное, считая, что оно, вероятно, обусловлено не свойствами Вселенной, а неправильной интерпретацией, ошибками в расчетах или неточными исходными данными. С другой стороны, видеть в этом потенциал. Если мы будем работать над уточнением соответствующих знаний о космическом пространстве, его законах и истории развития либо — что еще более интересно — сможем открыть нечто новое в области базовой физики, которая лежит в основе любого космологического анализа, то сможем обрести новое понимание Вселенной.

Расхождение, о котором идет речь, касается значения основного параметра современной космологии — постоянной Хаббла H0, которая выражает скорость расширения Вселенной в настоящее время. Нужно отметить, что астрофизики описывают постоянную Хаббла в единицах «км/с на мегапарсек», то есть на сколько километров в секунду увеличиваются скорости удаления галактик с увеличением расстояний до них, измеряемых в мегапарсеках (один мегапарсек соответствует 3,26 миллиона световых лет). Один метод определения постоянной Хаббла дает значение чуть больше 67 километров в секунду на мегапарсек, а второй демонстрирует результат, который примерно на 10 % больше первого и близок к 73. Разница между этими двумя числами привела к ситуации, которую космологи часто называют «космическим напряжением», или «напряжением Хаббла». Мы могли бы дать ей и другое, гораздо более звучное имя, например «кризис космологии», чтобы привлечь еще больше внимания, но давайте ограничимся словом «напряжение» и подумаем лучше вот о чем: «Что означает данное явление для нас и в целом для науки?»

Если мы обратимся к истории, то заметим, что нынешнее взволновавшее всех расхождение в оценках больше похоже на сближение. До появления телескопа «Хаббл» выдающиеся астрофизики, которые делали попытки определить значение постоянной Хаббла, расходились в своих оценках ровно в два раза: одни принимали за верное число 50, а другие — 100. Учитывая, какое напряжение породила разница между значениями 67 и 73, занимающая ученых сегодня, можно представить, как далеко мы продвинулись за одну жизнь.

Некоторые астрофизики — обычно не те, кто непосредственно участвует в измерениях или интерпретации результатов — спокойно смотрят на ситуацию. Они считают, что напряжение Хаббла разрешится довольно прозаически, и причем довольно скоро, а правильным будет признано значение, близкое к 70. Но многие из тех, кто потратил годы и даже десятилетия на определение точного значения постоянной Хаббла, придерживаются противоположной точки зрения (что, впрочем, вполне ожидаемо) и продолжают участвовать в жарких спорах. Если оба лагеря окажутся правыми в своих оценках, то с точки зрения истории настоящее вполне может быть названо эпохой, в которой два разных числа открыли дверь в новую физику.

Какие же методы породили напряжение Хаббла? С помощью первого было выявлено существование темной энергии; он ­использует оценки расстояний, полученные из наблюдений взрывов сверхновых в далеких галактиках. Постоянно совершен­ствующиеся средства наблюдения за взрывами этих сверхновых, а также уточнения тонких различий между ними привели к ­получению значений, близких к 73. Однако прежде чем обсуждать не­определенности, связанные этим числом, необходимо изучить главный альтернативный метод определения постоянной Хаббла.

Этот подход основан на использовании того, что космологи называют «стандартной линейкой» по аналогии со «стандартными свечами» — сверхновыми, используемыми в традиционном подходе вычисления постоянной Хаббла. Как рассказывалось в пре­дыдущей главе, в эпоху разделения, которая наступила через 380 тысяч лет после Большого взрыва, некогда существенное гомогенизирующее воздействие излучения на материю наконец прекратилось. С той поры излучение свободно путешествует среди частиц материи, не оказывая на них весомого воздействия. Это произошло, когда максимальное расстояние, на котором частицы материи могли воздействовать друг на друга, составляло около 420 тысяч световых лет — более удаленные друг от друга области не успели каким-либо образом повлиять друг на друга. Это расстояние послужило ученым стандартной линейкой. В предыдущей главе оно было отмечено как максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо ­влияние и создавать какие-либо шероховатости.

С расширением пространства расширялась и стандартная линейка, соответствующая наибольшим расстояниям в пространстве, в пределах которых могли возникнуть когерентные отклонения плотности материи от среднего значения. Теперь мы можем «увидеть» линейку — точнее, ее влияние — в двух разных эпохах. С первой из них мы уже знакомы. Это эпоха разделения, когда возникли небольшие неоднородности в распределении реликтового излучения, отражающие неравномерность распределения материи. В течение следующих миллиардов лет эти отклонения в плотности, составляющие стотысячные доли, превратились в чрезвычайно большие различия в плотности распределения материи внутри гигантских скоплений галактик и в областях между ними. Максимальные размеры этих скоплений показывают, насколько увеличился размер стандартной линейки с эпохи разделения до настоящего времени.

Таким образом, второй метод определения постоянной Хаббла основан на создании точной карты современной Вселенной и ее сравнении с первоначальными различиями в реликтовом излучении. (На самом деле слово «современный» означает «всего пару миллиардов лет назад» — это среднее время, необходимое для наблюдения за скоплениями галактик, выросшими из крошечных отклонений в реликтовом излучении.) В первые десятилетия XXI века проект Sloan Digital Sky Survey для большей точности задействовал специальный телескоп в Апач-Пойнт (штат Нью-Мексико, США), чтобы составить карты трехмерного распределения галактик в космосе и определить современный размер стандартной линейки. Он оказался равен примерно 490 миллионам световых лет. Сравнение этого расстояния с размером 450 тысяч световых лет, который имела линейка в эпоху разделения, приводит к значению постоянной Хаббла, близкому к 67.

Какую погрешность имеет каждый из этих двух методов, давших оценки 67 и 73? Самый последний анализ, проведенный группами астрофизиков, которые используют подход со стандартной линейкой, дает значение 67,3 (±0,6). Альтернативный подход к определению постоянной Хаббла, основанный на измерении светимости сверхновых, практикуется несколькими независимыми группами наблюдателей, состязающимися не только в точности результатов, но и в привлекательности аббревиатур команд, две из которых, H0LiCOW и SH0ES, с удовольствием включили H0 в свои названия. Самая последняя оценка, полученная группой SH0ES, равна 73,3 (±1,0), тогда как H0LiCOW дает оценку 73,3 (±1,8). Разница между 67+ и 73+ вместе с оценками погрешности создает то, что ученые называют «разницей в пять сигм», что в переводе на простой человеческий звучит как «слишком большая, чтобы ее игнорировать». (Большинство ученых считают значимым расхождение в больше, чем три сигмы, при условии, что они доверяют данным, лежащим в основе расчетов.)

Прежде чем заняться разбором этих противоречивых результатов, следует отметить, что, к нашему удивлению, астрофизики имеют в своем арсенале еще три подхода для определения значения постоянной Хаббла. Один из них уже используется, а еще два скоро будут готовы помочь уточнить наши знания.

Первый из них основан на оценке расстояний до сверхновых в сравнительно близких галактиках путем пристального наблюдения за самыми яркими звездами в гигантских звездных скоплениях. Благодаря изучению этапов эволюции звезд астрофизики знают, сколько энергии те излучают. Как и в случае с наблюдениями сверхновых, сравнение видимых яркостей объектов, которые, как известно, имеют одинаковую истинную светимость, дает соотношение расстояний до объектов. Этот метод не распространяется на такие большие расстояния, которые позволяет измерять метод наблюдения за сверхновыми, но его результаты позволяют предположить, что постоянная Хаббла имеет компромиссное значение 70, упомянутое выше. Анализ полученных результатов, проведенный сторонниками значения 73, привел их к выводу, что это число лишь немного занижено. Из таких конфликтов может возникнуть окончательное решение.

Два других независимых метода оценки постоянной Хаббла достигли определенного успеха, но пока находятся в зачаточном состоянии. Оба открывают новые горизонты, опираясь на общую теорию относительности Эйнштейна. Один из них связан с искривлением пространства гравитационными силами, а другой — с гравитационным излучением, которое ученые обнаружили только в последние несколько лет. Как и более старые, хорошо зарекомендовавшие себя методы, новые нацелены на более точное определение расстояний до объектов и сравнение скоростей, с которыми они удаляются от нас. Первый из этих методов основан на анализе гравитационного отклонения реликтового излучения, проходящего мимо множества галактик на пути к нам. Второй, более подробно описанный в главе 9, основан на наблюдении за «стандартными сиренами» — подмножеством источников гравитационного излучения со схожими характеристиками, разбросанных в наблюдаемой части Вселенной. Название «стандартные сирены» было выбрано по аналогии со «стандартными линейками». Оба подхода, основанные на измерении искривления пространства и на наблюдении за стандартными сиренами, обещают дать результаты, более точные, чем позволяют получить лучшие на данный момент методы измерения скорости расширения Вселенной.

Как же все-таки оценить значение нынешнего напряжения в космологии? Как и астрофизики, проницательные читатели могут предсказать решение, опираясь на собственный опыт. Вы предпочитаете консервативный подход, сохраняете спокойствие и ожидаете, что вскоре все оценки сойдутся к значению 70? Или предпочитаете революцию: конфронтацию доказательств между значениями 67 и 73, которая откроет дверь в новую физику? В любом случае мы можем быть уверены, что в самой Вселенной нет никакого кризиса. Проблемы возникают на Земле, где человеческое понимание пока очень далеко от совершенства. Космологи и физики, считающие, что это напряжение требует решения, попытались, как того требуют их должностные инструкции, разрешить его, определив, что было упущено в нашем понимании Вселенной.

Список предлагаемых решений, к чести их создателей, может утомить большинство читателей. Почти все подобные предложения либо меняют принятую в настоящее время модель расширения Вселенной, либо вводят «новую физику», которая включает изменение теории относительности или законов гравитации. Самые популярные предложения новой физики связаны с неизвестными гипотетическими частицами (отличными от неизвестных гипотетических частиц, образующих темную материю), либо гипотетическими тонкими изменениями количества темной энергии во время раннего расширения Вселенной до момента разделения или вскоре после этого. К несчастью для некоторых из этих теорий, но к счастью для прогресса науки, точность наших нынешних наблюдений реликтового излучения накладывает жесткие ограничения на эти гипотезы, а в самых простых случаях делает их с высокой степенью вероятности несостоятельными. С определенной точки зрения, это увеличивает волнение, которое напряжение Хаббла вносит в космологию: мы можем обнаружить, что за кажущимся скромным разногласием между 67 и 73 скрывается не только новая физика, но также и тот факт, что добавления «простой» новой физики может оказаться недостаточно. В последнем случае должен произойти более широкий пересмотр нашего понимания, чтобы напряжение Хаббла разрешилось само собой и астрофизики смогли сосредоточиться на новых загадках, которые, несомненно, возникнут в результате будущих наблюдений.