Если Вселенная расширяется, то куда? Куда расширяется Вселенная? Особенность расширения видимой части вселенной
МОСКВА, 26 янв - РИА Новости. Независимая группа ученых подтвердила, что Вселенная действительно расширяется сейчас еще быстрее, чем показывали расчеты, построенные на наблюдениях за "эхом" Большого Взрыва, говорится в серии из пяти статей, принятой к публикации в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
"Расхождения в текущей скорости расширения Вселенной и тем, что показывают наблюдения за Большим взрывом, не только подтвердились, но и усилились благодаря новым данным по тому, как далекие галактики искривляют свет. Эти несовпадения могут быть порождены "новой физикой" за пределами Стандартной модели космологии, в частности, некой иной формой темной энергии", — заявил Фредерик Кубрин (Frederic Coubrin) из Федеральной политехнической школы в Лозанне (Швейцария).
Темные роды Вселенной
Еще в 1929 году знаменитый астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не стоит на месте, а постепенно расширяется, наблюдая за движением далеких от нас галактик. В конце 20 века астрофизики обнаружили, наблюдая за сверхновыми первого типа, что она расширяется не с постоянной скоростью, а с ускорением. Причиной этого, как сегодня считают ученые, является темная энергия - загадочная субстанция, действующая на материю как своеобразная "антигравитация".
В июне прошлого года, нобелевский лауреат Адам Рисс (Adam Reiss) и его коллеги, открывшие этот феномен, вычислили точную скорость расширения Вселенной сегодня, используя переменные звезды-цефеиды в соседних галактиках, расстояние до которых можно вычислить со сверхвысокой точностью.
Это уточнение дало крайне неожиданный результат - оказалось, что две галактики, разделенные расстоянием примерно в 3 миллиона световых лет, разлетаются со скоростью около 73 километров в секунду. Подобная цифра заметно выше, чем показывают данные, полученные при помощи орбитальных телескопов WMAP и Planck - 69 километров в секунду, и ее невозможно объяснить при помощи имеющихся у нас представлений о природе темной энергии и механизме рождения Вселенной.
Рисс и его коллеги предположили, что существует еще и третья "темная" субстанция - "темное излучение" (dark radiation), заставлявшее ее ускоряться быстрее теоретических предсказаний в первые дни жизни Вселенной. Подобное заявление не осталось без внимания, и коллаборация H0LiCOW, включающая в себя десятки астрономов со всех континентов планеты, начала проверку эту гипотезы, наблюдая за квазарами - активными ядрами далеких галактик.
Игра космических свечей и линз
Квазары, благодаря гигантской черной дыре в их центре, особым образом искривляют структуру пространства-времени, усиливая свет, проходящий через его окрестности, подобно гигантской линзе.
Если два квазара расположены друг за другом для наблюдателей на Земле, возникает интересная вещь - свет более далекого квазара расщепится при прохождении через гравитационную линзу первого ядра галактики. Из-за этого мы увидим не два, а пять квазаров, четыре из которых будут световыми "копиями" более далекого объекта. Что самое важное, каждая копия будет представлять собой "фотографию" квазара в разные периоды его жизни из-за того, что их свет тратил разное количество времени на выход из гравитационной линзы.
Продолжительность этого времени, как объясняют ученые, зависит от скорости расширения Вселенной, что позволяет вычислить ее, наблюдая за большим числом далеких квазаров. Этим и занимались участники H0LiCOW, отыскивая подобные "двойные" квазары и наблюдая за их "копиями".
В общей сложности Кубрин и его коллеги нашли три подобных квазарных "матрешки" и детально изучили их, используя орбитальные телескопы "Хаббл", "Спитцер" и ряд наземных телескопов на Гавайских островах и в Чили. Эти замеры, по словам исследователей, позволили им измерить постоянную Хаббла на "среднем" космологическом расстоянии с уровнем погрешности в 3,8%, что в разы лучше ранее полученных результатов.
Эти расчеты показали, что Вселенная расширяется со скоростью около 71,9 километров в секунду, что в целом соответствует тому результату, который Рисс и его коллеги получили на "близких" космологических расстояниях, и говорит в пользу существования некой третьей "темной" субстанции, разгонявшей Вселенную в ее юности. Другой вариант объяснения разночтений с данными - Вселенная на самом деле не является плоской, а напоминает сферу или "гармошку". Кроме того, возможно, что количество или свойства темной материи поменялись за последние 13 миллиардов лет, благодаря чему Вселенная начала расти быстрее.
В любом случае, ученые планируют изучить еще примерно сто подобных квазаров для того, чтобы убедиться в достоверности полученных ими данных, и понять, как можно объяснить столь необычное поведение Вселенной, не укладывающееся в стандартные космологические теории.
Анализируя результаты наблюдений галактик и реликтового излучения, астрономы пришли к выводу, что распределение вещества во Вселенной (область исследуемого пространства превышала 100 Мпс в поперечнике) является однородным и изотропным, т. е. не зависит от положения и направления в пространстве (см. Космология). А такие свойства пространства, согласно теории относительности, неизбежно влекут за тсобой изменение со временем расстояний между телами, заполняющими Вселенную, т. е. Вселенная должна расширяться или сжиматься, причем наблюдения указывают на расширение.
Расширение Вселенной существенно отличается от обычного расширения вещества, например от расширения газа в цилиндре. Газ, расширяясь, изменяет положение поршня в цилиндре, но цилиндр при этом остается неизменным. Во Вселенной же происходит расширение всего пространства как целого. Поэтому вопрос, в какую сторону происходит расширение, во Вселенной теряет смысл. Такое расширение имеет место в очень больших масштабах. В пределах же звездных систем, галактик, скоплений и сверхскоплений галактик расширения не происходит. Такие гравитационно связанные системы обособлены от общего расширения Вселенной.
Вывод о том, что Вселенная расширяется, подтверждают наблюдения красного смещения в спектрах галактик.
Пусть из некоторой точки пространства в два момента отправляются световые сигналы, которые наблюдаются в другой точке пространства.
Вследствие изменения масштаба Вселенной, т. е. увеличения расстояния между точками испускания и наблюдения света, второй сигнал должен пройти большее расстояние, чем первый. А поскольку скорость света постоянна, второй сигнал запаздывает; интервал между сигналами в точке наблюдений будет больше, чем в точке их отправления. Запаздывание тем значительнее, чем больше расстояние между источником и наблюдателем. Естественным эталоном частоты является частота излучения при электромагнитных переходах в атомах. Вследствие описанного эффекта расширения Вселенной происходит уменьшение этой частоты. Таким образом, при наблюдении спектра излучения какой-нибудь далекой галактики все его линии должны оказаться смещенными в красную сторону по сравнению с лабораторными спектрами. Это явление красного смещения представляет собой эффект Доплера (см. Лучевая скорость) от взаимного «разбегания» галактик и наблюдается в действительности.
Величина красного смещения измеряется отношением измененной частоты излучения к первоначальной. Изменение частоты тем больше, чем больше расстояние до наблюдаемой галактики.
Таким образом, измеряя по спектрам красное смещение, оказывается возможным определить скорости v галактик, с которыми они удаляются от наблюдателя. Указанные скорости связаны с расстояниями называется постоянной Хаббла.
Точное определение величины сопряжено с большими трудностями. На основе многолетних наблюдений в настоящее время принята величина .
Это значение соответствует увеличению скорости разбегания галактик, равному приблизительно 50-100 км/с на каждый мегапарсек расстояния.
Закон Хаббла позволяет оценивать расстояния до галактик, удаленных на огромные расстояния, по измеренному в их спектрах красному смещению линий.
Закон разбегания галактик выведен на основе наблюдений с Земли (или, можно сказать, из нашей Галактики), и, таким образом, он описывает удаление галактик от Земли (нашей Галактики). Однако из этого нельзя делать вывод, что именно Земля (наша Галактика) находится в центре расширения Вселенной. Несложные геометрические построения убеждают нас, что закон Хаббла справедлив для наблюдателя, находящегося в любой из галактик, участвующих в разбегании.
Закон расширения Хаббла указывает на то, что когда-то вещество во Вселенной находилось в условиях очень больших плотностей. Время, отделяющее нас от этого состояния, можно условно назвать возрастом Вселенной. Оно определяется величиной
Поскольку скорость света конечна, конечному возрасту Вселенной соответствует и конечная область Вселенной, которую мы можем наблюдать в настоящее время. При этом наиболее удаленные наблюдаемые части Вселенной соответствуют наиболее ранним моментам ее эволюции. В эти моменты во Вселенной могли рождаться и взаимодействовать многообразные элементарные частицы. Анализируя процессы, происходившие при участии таких частиц в первую секунду расширения Вселенной, теоретическая космологий находит на основе теории элементарных частиц ответы на вопросы, почему во Вселенной нет антивещества и даже почему расширяется Вселенная.
Многие предсказания теории о физических процессах элементарных частиц относятся к области энергии, недостижимой в современных земных лабораторных условиях, например на ускорителях.
Однако в период до первой секунды расширения Вселенной частицы с такой энергией должны были существовать. Поэтому физики рассматривают расширяющуюся Вселенную как естественную лабораторию элементарных частиц.
В этой лаборатории можно осуществлять «мысленные эксперименты», анализировать, как существование той или иной частицы повлияло бы на физические процессы во Вселенной, как то или иное предсказание теории проявилось бы в астрономических наблюдениях.
Теорию элементарных частиц привлекают к объяснению «скрытой массы» Вселенной. Чтобы объяснить, как образовались галактики, как они движутся в скоплениях галактик и многие другие особенности распределения видимого вещества, оказывается необходимым предположить, что более 80% массы Вселенной скрыто в форме невидимых слабовзаимо-действующих частиц. В этой связи в космологии широко обсуждаются нейтрино с ненулевой массой покоя, а также новые гипотетические частицы.
Мироздание не статично. Это подтвердили исследования астронома Эдвина Хаббла еще в 1929 году, то есть почти 90 лет назад. На эту мысль его навели наблюдения за движением галактик. Еще одним открытием астрофизиков в завершение двадцатого века стало вычисление расширения Вселенной с ускорением.
Как называют расширение Вселенной
Некоторые удивляются, услышав, как ученые называют расширение Вселенной. Это наименование у большинства связано с экономикой, причем с негативными ожиданиями.
Инфляция - это процесс расширения Вселенной сразу после её появления, причем с резким ускорением. В переводе с английского «инфляция» - «накачивать», «раздувать».
Новые сомнения о существовании темной энергии как фактора теории инфляции Вселенной используют противники теории расширения.
Тогда ученые предложили карту черных дыр. Первоначальные данные отличаются от тех, что были получены на позднем этапе:
- Шестьдесят тысяч черных дыр с расстоянием между самыми дальними больше одиннадцати миллионов световых лет - данные четырехлетней давности.
- Сто восемьдесят тысяч галактик с черными дырами с удалением в тринадцать миллионов световых лет. Данные, полученные учеными, в том числе российскими ядерными физиками, в начале 2017 года.
Эти сведения, говорят астрофизики, не противоречат классической модели Вселенной.
Скорость расширения Вселенной - задача для космологов
Скорость расширения действительно является задачей для космологов и астрономов. Правда, о том, что скорость расширения Вселенной не имеет постоянного параметра, космологи больше не спорят, расхождения перешли в другую плоскость - когда расширение начало ускоряться. Данные о кочевании в спектре очень далеких сверхновых галактик первого типа доказывают, что расширение - это не внезапно наступивший процесс.
Ученые считают, что первые пять миллиардов лет Вселенная сужалась.
Первые последствия Большого Взрыва сначала спровоцировали мощное расширение, а потом началось сжатие. Но темная энергия все-таки повлияла на рост мироздания. Причем с ускорением.
Американские ученые приступили к созданию карты размеров Вселенной для разных эпох, чтобы выяснить, когда началось ускорение. Наблюдая взрывы сверхновых, а также направление концентрации в древних галактиках, космологи заметили особенности ускорения.
Почему Вселенная «разгоняется»
Изначально подразумевалось, что в составленной карте значения ускорения не были линейны, а превратились в синусоиду. Ее назвали «волной Вселенной».
Волна Вселенной говорит о том, что ускорение не шло с постоянной скоростью: оно то замедлялось, то ускорялось. Причем несколько раз. Ученые считают, что было семь таких процессов за 13,81 миллиарда лет после Большого Взрыва.
Однако космологи пока не могут ответить на вопрос о том, от чего зависит ускорение-замедление. Предположения сводятся к мысли, что энергетическое поле, от которого берет начало темная энергия, подчинено волне Вселенной. И, переходя от одного положения к другому, Вселенная то расширяет ускорение, то замедляет его.
Несмотря на убедительность доводов, они все-таки остаются пока теорией. Астрофизики надеются, что информация орбитального телескопа «Планк» подтвердит существование волны Вселенной.
Когда нашли темную энергию
Впервые о ней заговорили в девяностые из-за взрывов сверхновых. Природа темной энергии неизвестна. Хотя еще Альберт Эйнштейн выделил космическую постоянную в своей теории относительности.
В 1916 году, сто лет назад, Вселенная еще считалась неизменной. Но сила притяжения вмешалась: космические массы неизменно бы ударились друг от друга, если бы Вселенная была недвижима. Эйнштейн объявляет гравитацию за счет космической силы отталкивания.
Жорж Леметр обоснует это через физику. Вакуум содержит энергию. Из-за её колебаний, приводящих к появлению частиц и дальнейшего их разрушения, энергия приобретает силу отталкивания.
Когда Хаббл доказал расширение Вселенной, Эйнштейн назвал чушью.
Влияние темной энергии
Мироздание раздвигается с постоянной скоростью. В 1998 году миру представили данные анализа вспышек сверхновых первого типа. Было доказано, что Вселенная разрастается все быстрее.
Происходит это из-за непознанного вещества, её прозвали «темной энергией». Выяснится, что она занимает почти 70 % пространства Вселенной. Суть, свойства и природа темной энергии не изучены, но её ученые пытаются выяснить, имелась ли она в других галактиках.
В 2016 году вычислили точную скорость расширения на ближайшее будущее, но появилось несовпадение: Вселенная расширяется с большей скоростью, чем ранее предположили астрофизики. В среде ученых разгорелись споры о существовании темной энергии и её влиянии на скорость расширения пределов мироздания.
Расширение Вселенной происходит без темной энергии
Теорию независимости процесса расширения Вселенной от темной энергии выдвинули ученые в начале 2017 года. Расширение они объясняют изменением структуры Вселенной.
Ученые из Будапештского и Гавайского университетов пришли к выводу, что несовпадение расчетов и реальной скорости расширения связаны с изменением свойств пространства. Никто не учитывал, что происходит с моделью Вселенной при расширении.
Усомнившись в существовании темной энергии, ученые объясняют: самые большие концентраты материи Вселенной влияют на её расширение. При этом остальное содержание распределяется равномерно. Однако факт остается неучтенным.
Для демонстрации обоснованности своих предположений ученые предложили модель мини-Вселенной. Они представили её в форме набора пузырьков и начали просчет параметров роста каждого пузырька с собственной скоростью, зависящей от его массы.
Такое моделирование Вселенной показало ученым, что она может изменяться без учета энергии. А если «примешать» темную энергию, то модель не изменится, считают ученые.
В общем-то, споры все еще продолжаются. Сторонники темной энергии говорят, что она влияет на расширение границ Вселенной, противники стоят на своем, утверждая, что значение имеет концентрация материи.
Скорость расширения Вселенной сейчас
Ученые убеждены, что расти Вселенная начала после Большого Взрыва. Тогда, почти четырнадцать миллиардов лет назад, оказалось, что скорость расширения Вселенной больше скорости света. И она продолжает расти.
В книге Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени» отмечается, что скорость расширения границ Вселенной не может превышать 10 % за миллиард лет.
Чтобы определить, какова скорость расширения Вселенной, летом 2016 года лауреат Нобелевской премии Адам Рисс рассчитал расстояние до пульсирующих цефеид в близких друг к другу галактиках. Эти данные позволили вычислить скорость. Выяснилось, что галактики на расстоянии не меньше трех миллионов световых лет могут отдаляться со скоростью почти 73 км/с.
Результат был удивителен: орбитальные телескопы, тот же «Планк», говорили о 69 км/с. Почему зафиксирована такая разница, ученые не в силах дать ответ: им ничего не известно о происхождении темной материи, на которую опирается теория расширения Вселенной.
Темная радиация
Еще один фактор «разгона» Вселенной обнаружили астрономы с помощью «Хаббла». Темное излучение, как предполагают, появилось в самом начале образования Вселенной. Тогда больше в ней было энергии, а не материи.
Темное излучение «помогло» темной энергии расширить границы Вселенной. Расхождения в определении скорости ускорения были из-за неизвестности этого излучения, считают ученые.
Дальнейшая работа «Хаббла» должна сделать наблюдения более точными.
Таинственная энергия может уничтожить Вселенную
Такой сценарий ученые рассматривают уже несколько десятилетий, данные космической обсерватории «Планк» говорят, что это далеко не только предположения. Их опубликовали в 2013 году.
«Планк» замерил «эхо» Большого взрыва, появившееся в возрасте Вселенной около 380 тысяч лет, температура составила 2 700 градусов. Причем температура менялась. «Планк» определил и «состав» Вселенной:
- почти 5 % - звезды, космическая пыль, космический газ, галактики;
- почти 27 % - масса темной материи;
- около 70 % - темная энергия.
Физик Роберт Колдуэл предположил, что темная энергия обладает силой, способной нарастать. И эта энергия разъединит пространство-время. Галактика будет отдаляться в ближайшие двадцать-пятьдесят миллиардов лет, считает ученый. Этот процесс будет происходить при нарастающем расширении границ Вселенной. Это оторвет Млечный Путь от звезды, и он тоже распадется.
Космосу отмерили около шестидесяти миллионов лет. Солнце станет карликовой гаснущей звездой, и от нее отделятся планеты. После взорвется Земля. В следующие тридцать минут пространство разорвет атомы. Финалом станет разрушение структуры пространство-время.
Куда «улетает» Млечный Путь
Иерусалимские астрономы убеждены, что Млечный Путь набрал максимальную скорость, которая выше скорости расширения Вселенной. Ученые объясняют это стремлением Млечного Пути к «Великому Аттрактору», считающемуся самым крупным Так Млечный Путь уходит из космической пустыни.
Ученые используют разные методики измерения скорости расширения Вселенной, поэтому нет единого результата этого параметра.
Природа темной энергии является предметом ожесточенных споров. Открытый чуть менее чем тридцать лет назад, невидимый компонент Вселенной все еще не получил единого объяснения. Пришло время разобраться: почему темная энергия вызывает столько проблем, и как ученые пытаются ее детектировать?
Форма вселенной
С хорошей степенью точности наша Вселенная пространственно-однородна и изотропна – она не содержит «особых» точек и направлений, относительно которых ее свойства меняются. Такое пространство создать непросто: необходимо поддерживать определенную плотность энергии всех входящих в нее компонентов.
Уже в 1980-х годах ученым была точно известна так называемая критическая плотность, обеспечивающая пространственно-плоскую Вселенную. Но полученные результаты измерения количества барионного вещества в галактических кластерах совместно с плотностью, которую мог обеспечить Большой взрыв, скорее указывали на низкую плотностью материи в пространстве.
Также о недостатке материи говорил возраст шаровых скоплений – весьма немолодых конгломератов звезд. Оказалось, что такие скопления родились как минимум 10 миллиардов лет назад: но при наблюдаемом количестве вещества после Большого взрыва расширение Вселенной должно было постепенно замедляться и в целом оценка ее возраста была меньше. Наш мир оказывался моложе, чем его составляющие.
Сверхновые типа Ia
Окончательно убедить ученых в необходимости поиска нового источника энергии во Вселенной смогли сверхновые типа Iа – звезды, жизненный цикл которых заканчивается вспышкой, настолько интенсивной, что ее возможно наблюдать на Земле.
Две команды ученых, Supernova Cosmology Project, руководителем которого был Сол Перлмуттер, и High-Z Supernova Research Team, возглавляемый Брайаном Шмидтом, предложили процедуру использования самых мощных телескопов в мире для изучения сверхновых.
Прорыв совершил Марк Филлипс, астроном, работающий в Чили: он предложил новый способ определения внутренней светимости сверхновых типа Ia, которая напрямую связана с расстоянием до небесного тела. С другой стороны, расстояние до некоторых из звезд можно было определить с помощью закона Хаббла, описывающего изменение длины волны излучаемых объектом фотонов вследствие расширения Вселенной.
Оказалось, что сверхновые в далеких галактиках гораздо более «бледные»: их светимость была сильно меньше предсказанной исходя из расстояния, рассчитанного по закону Хаббла. Иными словами, сверхновые должны были находится гораздо дальше: так ученые впервые предположили, что Вселенная не просто расширяется, а с некоторым ускорением.
Наблюдение далеких сверхновых типа Ia в одночасье перевернуло представление ученых о Вселенной. Исследования показали, что около 70 % плотности энергии составляет новый, неизвестный компонент с отрицательным давлением.
Термин «темная энергия» предложил позднее космолог Майкл Тeрнер, а перед учеными встала новая загадка: объяснить природу еe возникновения.
Можно ли объяснить ускоренное расширение Вселенной?
В настоящее время существуют три класса теорий, претендующих на роль темной энергии. Первый вариант постулирует наличие энергии у вакуума: по сути дела это стало возвращением к космологической постоянной, предложенной Эйнштейном для поддержания статической Вселенной. В новом варианте плотность вакуума одинакова во всем пространстве, но не исключается, что она могла меняться со временем.
Второй вариант, получивший название квинтэссенции, предложенный немецким физиком Кристофом Веттерихом, предполагает наличие нового поля – фактически, новых частиц, вносящих вклад в общую плотность Вселенной. Энергия таких частиц уже не только изменяется со временем, но и в пространстве: для того, чтобы сильные колебания плотности темной энергии отсутствовали, частицы должны быть достаточно легкими. В этом, пожалуй, состоит основная проблема квинтэссенции: предложенные варианты частиц, согласно основным принципам современной физики, не могут оказываться легкими, а наоборот, приобретать значительную массу, и на данный момент никаких указаний на этот сценарий не получено.
К третьему варианту относятся различные теории модифицированной гравитации, в которой взаимодействие между массивными объектами не подчиняется стандартным законам Общей теории относительности (ОТО). Существует великое множество модификаций гравитации, но к настоящему времени отклонения от ОТО в экспериментах не были обнаружены.
Темная энергия, несмотря на огромный вклад в состояние Вселенной, упорно «прячется» от наблюдателей, и изучаются лишь косвенные проявления ее свойств. Среди них основную роль играют барионные акустические осцилляции, анизотропия реликтового излучения и слабое гравитационное линзирование.
Барионные акустические осцилляции
Барионные акустические осцилляции, или, сокращенно, БАО – наблюдаемое периодическое изменение плотности обычного, барионного вещества на больших масштабах. В первоначальной, горячая космической плазме, состоявшей из барионов и фотонов, конкурировали два процесса: гравитационное притяжение, с одной стороны, и отталкивание за счет высвобождения энергии при реакциях между веществом и фотонами – с другой. Подобное «противостояние» приводило к акустическим колебаниями, подобно звуковым волнам в воздухе между областями с различной плотностью.
При остывании Вселенной в определенный момент произошла рекомбинация – отдельным частицам стало выгоднее образовывать атомы, а фотоны фактически стали «свободными» и отделились от вещества. При этом вследствие колебаний вещество успело разлететься на некоторое определенное расстояние, называемое звуковым горизонтом. Последствия наличия горизонта в настоящее время наблюдаются в распределении галактик во Вселенной.
Сам по себе звуковой горизонт – величина, предсказываемая космологически. Он напрямую зависит от параметра Хаббла, определяющего скорость расширения Вселенной, который в свою очередь определяется и параметрами темной энергии.
Реликтовое излучение
Микроволновое реликтовое излучение – дальний «отголосок» Большого взрыва, равномерно заполняющие Вселенную фотоны с практически одинаковой энергией. В настоящее время именно реликтовое излучение является основным источником ограничений на различные космологические модели.
Однако, с увеличением чувствительности инструментов было обнаружено, что реликтовое излучение анизотропно и имеет неоднородности – с каких-то направлений приходит несколько больше фотонов, чем с других. Такое различие в том числе также вызвано наличием неоднородностей в распределении вещества, и масштаб распределения «горячих» и «холодных» пятен на небе определяется свойствами темной энергии.
Слабое гравитационное линзирование
Еще один важный для исследования темной энергии эффект – гравитационное темное линзирование – состоит в отклонении пучков света в поле вещества. Линзирование одновременно позволяет изучать структуру Вселенной и её геометрию, то есть форму пространства-времени.
Существуют различные виды гравитационного линзирования, среди которых наиболее удобным для изучения темной энергии является слабое линзирование за счет отклонения света крупномасштабной структурой Вселенной – это приводит к размыванию изображений далеких галактик.
Темная энергия одновременно влияет как на свойства источника, например расстояние до него, так и на свойства искажающего картинку пространства. Поэтому слабое линзирование, с учетом постоянно обновляющихся астрономических данных, является вдвойне важным способом постановки ограничений на свойства темной энергии.
Темная энергия – по прежнему в тени
Подведем итоги, что же удалось узнать физикам за практически тридцатилетний стаж изучения темной энергии?
С большой точностью известно, что темная энергия обладает отрицательным давлением: более того, уравнение зависимости давления от плотности энергии определено с большой достоверностью, и такими свойствами не обладает ни одна другая известная нам среда.
Темная энергия пространственно-однородна, а ее вклад в плотность энергии стал доминирующим относительно недавно – около пяти миллиардом лет назад; при этом она влияет одновременно и на расстояния между объектами и на саму структуру Вселенной.
Различные космологические эксперименты позволяют изучать темную энергию, но в настоящее время ошибки измерения слишком велики, чтобы делать точные предсказания. Пока что ученые еще явно далеки от ответа на вопрос о природе темной энергии, которая многие миллиарды лет тайно управляет устройством Вселенной.
Всего лишь сто лет назад ученые обнаружили, что наше Мироздание стремительно увеличивается в размерах.
В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи. Обе эти идеи спустя много лет легли в основу общей теории относительности. Сам Клиффорд до этого не дожил - он умер от туберкулеза в возрасте 34 лет за 11 дней до рождения Альберта Эйнштейна.
Красное смещение
Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография. В 1886 году английский астроном Уильям Хаггинс заметил, что длины волн звездного света несколько сдвинуты по сравнению с земными спектрами тех же элементов. Исходя из формулы оптической версии эффекта Допплера, выведенной в 1848 году французским физиком Арманом Физо, можно вычислить величину радиальной скорости звезды. Подобные наблюдения позволяют отследить движение космического объекта.
Четверть века спустя эту возможность по-новому использовал сотрудник обсерватории во Флагстаффе в штате Аризона Весто Слайфер, который с 1912 года изучал спектры спиральных туманностей на 24-дюймовом телескопе с хорошим спектрографом. Для получения качественного снимка одну и ту же фотопластинку экспонировали по нескольку ночей, поэтому проект двигался медленно. С сентября по декабрь 1913 года Слайфер занимался туманностью Андромеды и с помощью формулы Допплера–Физо пришел к выводу, что она ежесекундно приближается к Земле на 300 км.
В 1917 году он опубликовал данные о радиальных скоростях 25 туманностей, которые показывали значительную асимметрию их направлений. Только четыре туманности приближались к Солнцу, остальные убегали (и некоторые очень быстро).
Слайфер не стремился к славе и не пропагандировал свои результаты. Поэтому они стали известны в астрономических кругах, лишь когда на них обратил внимание знаменитый британский астрофизик Артур Эддингтон.
В 1924 году он опубликовал монографию по теории относительности, куда включил перечень найденных Слайфером радиальных скоростей 41 туманности. Там присутствовала все та же четверка туманностей с голубым смещением, в то время как у остальных 37 спектральные линии были сдвинуты в красную сторону. Их радиальные скорости варьировали в пределах 150–1800 км/с и в среднем в 25 раз превышали известные к тому времени скорости звезд Млечного Пути. Это наводило на мысль, что туманности участвуют в иных движениях, нежели «классические» светила.
Космические острова
В начале 1920-х годов большинство астрономов полагало, что спиральные туманности расположены на периферии Млечного Пути, а за его пределами уже нет ничего, кроме пустого темного пространства. Правда, еще в XVIII веке некоторые ученые видели в туманностях гигантские звездные скопления (Иммануил Кант назвал их островными вселенными). Однако эта гипотеза не пользовалась популярностью, поскольку достоверно определить расстояния до туманностей никак не получалось.
Эту задачу решил Эдвин Хаббл, работавший на 100-дюймовом телескопе-рефлекторе калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон. В 1923–1924 годах он обнаружил, что туманность Андромеды состоит из множества светящихся объектов, среди которых есть переменные звезды семейства цефеид. Тогда уже было известно, что период изменения их видимого блеска связан с абсолютной светимостью, и поэтому цефеиды пригодны для калибровки космических дистанций. С их помощью Хаббл оценил расстояние до Андромеды в 285 000 парсек (по современным данным, оно составляет 800 000 парсек). Диаметр Млечного Пути тогда полагали приблизительно равным 100 000 парсек (в действительности он втрое меньше). Отсюда следовало, что Андромеду и Млечный Путь необходимо считать независимыми звездными скоплениями. Вскоре Хаббл идентифицировал еще две самостоятельные галактики, чем окончательно подтвердил гипотезу «островных вселенных».
Законы Хаббла
Эдвин Хаббл эмпирически выявил примерную пропорциональность красных смещений и галактических дистанций, которую он с помощью формулы Допплера–Физо превратил в пропорциональность между скоростями и расстояниями. Так что мы имеем здесь дело с двумя различными закономерностями.
Хаббл не знал, как эти закономерности связаны друг с другом, но что об этом говорит сегодняшняя наука?
Как показал еще Леметр, линейная корреляция между космологическими (вызванными расширением Вселенной) красными смещениями и дистанциями отнюдь не абсолютна. На практике она хорошо соблюдается лишь для смещений, меньших 0,1. Так что эмпирический закон Хаббла не точный, а приближенный, да и формула Допплера–Физо справедлива только для небольших смещений спектра.
А вот теоретический закон, связывающий радиальную скорость далеких объектов с расстоянием до них (с коэффициентом пропорциональности в виде параметра Хаббла V = Hd ), справедлив для любых красных смещений. Однако фигурирующая в нем скорость V - вовсе не скорость физических сигналов или реальных тел в физическом пространстве. Это скорость возрастания дистанций между галактиками и галактическими скоплениями, которое обусловлено расширением Вселенной. Мы бы смогли ее измерить, только если были бы в состоянии останавливать расширение Вселенной, мгновенно протягивать мерные ленты между галактиками, считывать расстояния между ними и делить их на промежутки времени между измерениями. Естественно, законы физики этого не позволяют. Поэтому космологи предпочитают использовать параметр Хаббла H в другой формуле, где фигурирует масштабный фактор Вселенной, который как раз и описывает степень ее расширения в различные космические эпохи (поскольку этот параметр изменяется со временем, его современное значение обозначают H 0). Вселенная сейчас расширяется с ускорением, так что величина хаббловского параметра возрастает.
Измеряя космологические красные смещения, мы получаем информацию о степени расширения пространства. Свет галактики, пришедший к нам с космологическим красным смещением z , покинул ее, когда все космологические дистанции были в 1 + z раз меньшими, нежели в нашу эпоху. Получить об этой галактике дополнительные сведения, такие как ее нынешняя дистанция или скорость удаления от Млечного Пути, можно лишь с помощью конкретной космологической модели. Например, в модели Эйнштейна-де Ситтера галактика с z = 5 отдаляется от нас со скоростью, равной 1,1 с (скорости света). А если сделать распространенную ошибку и просто уравнять V /c и z , то эта скорость окажется впятеро больше световой. Расхождение, как видим, нешуточное.
Справедливости ради стоит отметить, что за два года до Хаббла расстояние до Андромеды вычислил эстонский астроном Эрнст Опик, чей результат - 450 000 парсек - был ближе к правильному. Однако он использовал ряд теоретических соображений, которые не были так же убедительны, как прямые наблюдения Хаббла.
К 1926 году Хаббл провел статистический анализ наблюдений четырех сотен «внегалактических туманностей» (этим термином он пользовался еще долго, избегая называть их галактиками) и предложил формулу, позволяющую связать расстояние до туманности с ее видимой яркостью. Несмотря на огромные погрешности этого метода, новые данные подтверждали, что туманности распределены в пространстве более или менее равномерно и находятся далеко за границами Млечного Пути. Теперь уже не приходилось сомневаться, что космос не замыкается на нашей Галактике и ее ближайших соседях.
Модельеры космоса
Эддингтон заинтересовался результатами Слайфера еще до окончательного выяснения природы спиральных туманностей. К этому времени уже существовала космологическая модель, в определенном смысле предсказывавшая эффект, выявленный Слайфером. Эддингтон много размышлял о ней и, естественно, не упустил случая придать наблюдениям аризонского астронома космологическое звучание.
Современная теоретическая космология началась в 1917 году двумя революционными статьями, представившими модели Вселенной, построенные на основе общей теории относительности. Одну из них написал сам Эйнштейн, другую - голландский астроном Виллем де Ситтер.
Эйнштейн в духе времени считал, что Вселенная как целое статична (он пытался сделать ее еще и бесконечной в пространстве, но не смог найти корректные граничные условия для своих уравнений). В итоге он построил модель замкнутой Вселенной, пространство которой обладает постоянной положительной кривизной (и поэтому она имеет постоянный конечный радиус). Время в этой Вселенной, напротив, течет по-ньютоновски, в одном направлении и с одинаковой скоростью. Пространство-время этой модели искривлено за счет пространственной компоненты, в то время как временная никак не деформирована. Статичность этого мира обеспечивает специальный «вкладыш» в основное уравнение, препятствующий гравитационному схлопыванию и тем самым действующий как вездесущее антигравитационное поле. Его интенсивность пропорциональна особой константе, которую Эйнштейн назвал универсальной (сейчас ее называют космологической постоянной).
Эйнштейновская модель позволила вычислить размер Вселенной, общее количество материи и даже значение космологической постоянной. Для этого нужна лишь средняя плотность космического вещества, которую, в принципе, можно определить из наблюдений. Не случайно этой моделью восхищался Эддингтон и использовал на практике Хаббл. Однако ее губит неустойчивость, которую Эйнштейн просто не заметил: при малейшем отклонении радиуса от равновесного значения эйнштейновский мир либо расширяется, либо претерпевает гравитационный коллапс. Поэтому к реальной Вселенной такая модель отношения не имеет.
Пустой мир
Де Ситтер тоже построил, как он сам считал, статичный мир постоянной положительной кривизны. В нем присутствует эйнштейновская космологическая константа, но зато полностью отсутствует материя. При введении пробных частиц сколь угодно малой массы они разбегаются и уходят в бесконечность. Кроме того, время на периферии вселенной де Ситтера течет медленней, нежели в ее центре. Из-за этого с больших расстояний световые волны приходят с красным смещением, даже если их источник неподвижен относительно наблюдателя. Поэтому в 1920-е годы Эддингтон и другие астрономы задались вопросом: не имеет ли модель де Ситтера чего-нибудь общего с реальностью, отраженной в наблюдениях Слайфера?
Эти подозрения подтвердились, хоть и в ином плане. Статичность вселенной де Ситтера оказалась мнимой, поскольку была связана с неудачным выбором координатной системы. После исправления этой ошибки пространство де Ситтера оказалось плоским, евклидовым, но нестатичным. Благодаря антигравитационной космологической константе оно расширяется, сохраняя при этом нулевую кривизну. Из-за этого расширения длины волн фотонов возрастают, что и влечет за собой предсказанный де Ситтером сдвиг спектральных линий. Стоит отметить, что именно так сегодня объясняют космологическое красное смещение далеких галактик.
Сопутствующие координаты
В космологических вычислениях удобно пользоваться сопутствующими координатными системами, которые расширяются в унисон с расширением Вселенной.
В идеализированной модели, где галактики и галактические кластеры не участвуют ни в каких собственных движениях, их сопутствующие координаты не меняются. А вот дистанция между двумя объектами в данный момент времени равна их постоянной дистанции в сопутствующих координатах, умноженной на величину масштабного фактора для этого момента. Такую ситуацию легко проиллюстрировать на надувном глобусе: широта и долгота каждой точки не меняются, а расстояние между любой парой точек увеличивается с ростом радиуса.
Использование сопутствующих координат помогает осознать глубокие различия между космологией расширяющейся Вселенной, специальной теорией относительности и ньютоновской физикой. Так, в ньютоновской механике все движения относительны, и абсолютная неподвижность не имеет физического смысла. Напротив, в космологии неподвижность в сопутствующих координатах абсолютна и в принципе может быть подтверждена наблюдениями.
Специальная теория относительности описывает процессы в пространстве-времени, из которого можно с помощью преобразований Лоренца бесконечным числом способов вычленять пространственные и временные компоненты. Космологическое пространство-время, напротив, естественно распадается на искривленное расширяющееся пространство и единое космическое время. При этом скорость разбегания далеких галактик может многократно превышать скорость света.
От статистики к динамике
История открыто нестатичных космологических теорий начинается с двух работ советского физика Александра Фридмана, опубликованных в немецком журнале Zeitschrift fur Physik в 1922 и 1924 годах. Фридман просчитал модели вселенных с переменной во времени положительной и отрицательной кривизной, которые стали золотым фондом теоретической космологии. Однако современники эти работы почти не заметили (Эйнштейн сначала даже счел первую статью Фридмана математически ошибочной). Сам Фридман полагал, что астрономия еще не обладает арсеналом наблюдений, позволяющим решить, какая из космологических моделей более соответствует реальности, и потому ограничился чистой математикой. Возможно, он действовал бы иначе, если бы ознакомился с результатами Слайфера, однако этого не случилось.
По-другому мыслил крупнейший космолог первой половины XX века Жорж Леметр. На родине, в Бельгии, он защитил диссертацию по математике, а затем в середине 1920-х изучал астрономию - в Кембридже под руководством Эддингтона и в Гарвардcкой обсерватории у Харлоу Шепли (во время пребывания в США, где он подготовил вторую диссертацию в МIT, он познакомился со Слайфером и Хабблом). Еще в 1925 году Леметру впервые удалось показать, что статичность модели де Ситтера мнимая. По возвращении на родину в качестве профессора Лувенского университета Леметр построил первую модель расширяющейся вселенной, обладающую четким астрономическим обоснованием. Без преувеличения, эта работа стала революционным прорывом в науке о космосе.
Вселенская революция
В своей модели Леметр сохранил космологическую константу с эйнштейновским численным значением. Поэтому его вселенная начинается статичным состоянием, но со временем из-за флуктуаций вступает на путь постоянного расширения с возрастающей скоростью. На этой стадии она сохраняет положительную кривизну, которая уменьшается по мере роста радиуса. Леметр включил в состав своей вселенной не только вещество, но и электромагнитное излучение. Этого не сделали ни Эйнштейн, ни де Ситтер, чьи работы были Леметру известны, ни Фридман, о котором он тогда ничего не знал.
Леметр еще в США предположил, что красные смещения далеких галактик возникают из-за расширения пространства, которое «растягивает» световые волны. Теперь же он доказал это математически. Он также продемонстрировал, что небольшие (много меньшие единицы) красные смещения пропорциональны расстояниям до источника света, причем коэффициент пропорциональности зависит только от времени и несет информацию о текущем темпе расширения Вселенной. Поскольку из формулы Допплера–Физо следовало, что радиальная скорость галактики пропорциональна красному смещению, Леметр пришел к выводу, что эта скорость также пропорциональна ее удаленности. Проанализировав скорости и дистанции 42 галактик из списка Хаббла и приняв во внимание внутригалактическую скорость Солнца, он установил значения коэффициентов пропорциональности.
Незамеченная работа
Свою работу Леметр опубликовал в 1927 году на французском языке в малочитаемом журнале «Анналы Брюссельского научного общества». Считают, что это послужило основной причиной, из-за которой она поначалу осталась практически незамеченной (даже его учителем Эддингтоном). Правда, осенью того же года Леметр смог обсудить свои выводы с Эйнштейном и узнал от него о результатах Фридмана. У создателя ОТО не было технических возражений, однако он решительно не поверил в физическую реальность леметровской модели (подобно тому, как раньше не принял фридмановские выводы).
Графики Хаббла
Между тем в конце 1920-х годов Хаббл и Хьюмасон выявили линейную корреляцию между расстояниями до 24 галактик и их радиальными скоростями, вычисленными (в основном еще Слайфером) по красным смещениям. Хаббл сделал из этого вывод о прямой пропорциональности радиальной скорости галактики расстоянию до нее. Коэффициент этой пропорциональности сейчас обозначают H 0 и называют параметром Хаббла (по последним данным, он немного превышает 70 (км/с)/мегапарсек).
Статья Хаббла с графиком линейной зависимости между галактическими скоростями и дистанциями была опубликована в начале 1929 года. Годом ранее молодой американский математик Хауард Робертсон вслед за Леметром вывел эту зависимость из модели расширяющейся Вселенной, о чем Хаббл, возможно, знал. Однако в его знаменитой статье эта модель ни прямо, ни косвенно не упоминалась. Позднее Хаббл высказывал сомнения, что фигурирующие в его формуле скорости реально описывают движения галактик в космическом пространстве, однако всегда воздерживался от их конкретной интерпретации. Смысл своего открытия он видел в демонстрации пропорциональности галактических расстояний и красных смещений, остальное предоставлял теоретикам. Поэтому при всем уважении к Хабблу считать его первооткрывателем расширения Вселенной нет никаких оснований.
И все-таки она расширяется!
Тем не менее Хаббл подготовил почву для признания расширения Вселенной и модели Леметра. Уже в 1930 году ей воздали должное такие мэтры космологии, как Эддингтон и де Ситтер; немногим позже ученые заметили и по достоинству оценили работы Фридмана. В 1931 году с подачи Эддингтона Леметр перевел на английский свою статью (с небольшими купюрами) для «Ежемесячных известий Королевского астрономического общества». В этом же году Эйнштейн согласился с выводами Леметра, а годом позже совместно с де Ситтером построил модель расширяющейся Вселенной с плоским пространством и искривленным временем. Эта модель из-за своей простоты долгое время была очень популярна среди космологов.
В том же 1931 году Леметр опубликовал краткое (и без всякой математики) описание еще одной модели Вселенной, объединявшей в себе космологию и квантовую механику. В этой модели начальным моментом выступает взрыв первичного атома (Леметр также называл его квантом), породивший и пространство, и время. Поскольку тяготение тормозит расширение новорожденной Вселенной, его скорость уменьшается - не исключено, что почти до нуля. Позднее Леметр ввел в свою модель космологическую постоянную, заставившую Вселенную со временем перейти в устойчивый режим ускоряющегося расширения. Так что он предвосхитил и идею Большого взрыва, и современные космологические модели, учитывающие присутствие темной энергии. А в 1933 году он отождествил космологическую постоянную с плотностью энергии вакуума, о чем до того никто еще не додумался. Просто удивительно, насколько этот ученый, безусловно достойный титула первооткрывателя расширения Вселенной, опередил свое время!
