Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - Нил Деграсс Тайсон

Стандартные свечи кардинально упрощают вычисления: поскольку мощность у всех сверхновых одинаковая, тусклые находятся далеко, а яркие близко. Измерив их яркость (проще простого), можно точно сказать, на каком расстоянии они находятся от нас и друг от друга. Если бы у всех сверхновых была разная светимость, на основании одной лишь яркости нельзя было бы делать никаких выводов о расстоянии. Тусклая звезда могла бы оказаться и лампочкой на много ватт вдали, и лампочкой на мало ватт вблизи.

Прекрасно. Но есть и второй способ измерить расстояние до галактик – подсчитать скорость их удаления от нашего Млечного Пути, скорость того самого разбегания, которое неотъемлемо связано с расширением Вселенной. Как первым показал Хаббл, при расширении Вселенной далекие объекты удаляются от нас быстрее, чем близкие. Так что, если рассчитать скорость удаления галактики (еще одна простая задачка), можно вывести расстояние до нее.

Если два этих испытанных метода дают для одного и того же объекта разные расстояния, значит, где-то вкралась ошибка. Либо из сверхновых получились плохие стандартные свечи, либо наша модель измерения темпа расширения Вселенной на основании скоростей галактик неверна.

Так вот, ошибка действительно вкралась. Оказалось, что из сверхновых получаются великолепные стандартные свечи, выдержавшие скрупулезную проверку многих ученых-скептиков, так что вариант остался только один: астрофизики получили Вселенную, которая расширяется быстрее, чем мы думали, и от этого галактики разбежались дальше, чем предсказывали расчеты. И объяснить ускоренное разбегание не удавалось ничем, кроме лямбды – космологической постоянной Эйнштейна.

Это было первое прямое свидетельство, что Вселенную пронизывает отталкивающая сила, противостоящая гравитации, и именно поэтому и пришлось воскресить лямбду. Космологическая постоянная внезапно обрела физический смысл, ей потребовалось название, и на авансцену космической драмы вышла «темная энергия»: в этом имени удачно сочетаются и завеса тайны, и наше глубокое непонимание причин происходящего. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за это открытие заслуженную Нобелевскую премию.

Самые точные расчеты на сегодня показывают, что темная энергия – это главная достопримечательность нашей Вселенной: она отвечает за 68 % всей массы-энергии во Вселенной – еще 27 % составляет темное вещество, а обычному веществу остается всего-то 5 %.

* * *

Форма нашей четырехмерной Вселенной определяется соотношением между количеством вещества и энергии, обитающих в космосе, и темпом расширения космоса. Это соотношение для удобства математических записей условились обозначать заглавной греческой буквой «омега» – Ω; очередная греческая буква, держащая в узде все мироздание.

Если взять плотность вещества-энергии во Вселенной и поделить на плотность вещества-энергии, которая нужна, чтобы всего лишь остановить расширение (так называемая «критическая плотность»), получится омега.

Поскольку и масса, и энергия заставляют пространство-время искажаться, то есть искривляться, омега говорит нам о форме космоса.

Если омега меньше единицы, то реальное значение массы-энергии падает ниже критического, и Вселенная расширяется вечно, во всех направлениях и все время, принимая форму седла, при которой изначально параллельные линии расходятся.

Если омега равна единице, Вселенная расширяется вечно – но скорость ее расширения все время уменьшается. В этом случае она плоская, и в ней работают геометрические законы, которые мы изучали в школе: в частности, параллельные прямые не пересекаются.

Если омега больше единицы, параллельные линии сходятся, Вселенная свертывается и, в конце концов, превращается в тот же огненный шар, каким была вначале.

С тех самых пор, как Хаббл открыл расширение Вселенной, ни одной группе экспериментаторов ни разу не удалось получить омегу, хоть сколько-нибудь близкую к единице. Сумма всей массы и энергии, которую удалось зарегистрировать при помощи телескопов, и даже самые смелые экстраполяции с учетом темного вещества давали в лучшем случае Ω = 0,3. Согласно этой экспериментальной картине Вселенная получалась «открытой» для любых переговоров и скакала в бесконечное будущее в ковбойском седле.

Тем временем, начиная с 1979 года, американский физик Алан Гут из Массачусетского технологического института и другие ученые работали над поправкой к теории Большого взрыва, которая позволяла избавиться от некоторых неприятных осложнений, не позволявших получить модель Вселенной, наполненной веществом и энергией так равномерно, как наша. Фундаментальный побочный продукт этой поправки к теории Большого взрыва – омега, приближающаяся к единице. Не к одной второй. Не к двум. Не к миллиону. К единице.

Впрочем, едва ли на свете нашелся физик-теоретик, который не согласился бы с этим условием, поскольку оно помогало объяснить глобальные свойства нынешней Вселенной Большим взрывом. Однако оставалась одна маленькая трудность: согласно поправке, во Вселенной было втрое больше массы-энергии, чем наблюдали экспериментаторы. Теоретиков это не смутило: значит, заявили они, экспериментаторы плохо искали.

По всем расчетам видимое вещество обеспечивает не больше 5 % критической плотности. А как же загадочное темное вещество? Его тоже посчитали. Ни тогда, ни сейчас никто не знал, что это такое, но свой вклад в общую сумму оно точно вносит. Темного вещества в пять-шесть раз больше, чем видимого. Но и этого еще мало. Экспериментаторы растерялись, а теоретики настаивали: «Ищите дальше». В каждом лагере были уверены, что в другом ошибаются, – пока не открыли темную энергию. Этого компонента хватило, чтобы в сочетании с обычными веществом и энергией и темным веществом поднять плотность до критической отметки. К вящему удовольствию как теоретиков, так и экспериментаторов.

Теоретики и экспериментаторы впервые пришли к миру и согласию. Оказалось, правы и те и другие – по-своему. Омега и правда равна единице, как требовали от Вселенной теоретики, хотя эту величину и не получить простым сложением всего вещества, и обычного, и темного, как они предполагали по наивности. Сегодня в космосе не больше вещества, чем рассчитывали наблюдатели. Никто не ожидал, что в космосе есть столько темной энергии, и тем более никто не думал, что именно она станет великим миротворцем.

* * *

Что же это такое? Никто не знает. Самая правдоподобная догадка – что темная энергия представляет собой квантовое свойство космического вакуума, который вовсе не пуст, а полон частиц и их двойников из антивещества. Они то возникают, то аннигилируют, и происходит это так быстро, что их не успевают зарегистрировать. Потому-то их и прозвали виртуальными частицами – за эфемерность. Великое наследие квантовой физики – науки о микромире – требует, чтобы мы отнеслись к этой гипотезе очень серьезно. Каждая пара виртуальных частиц оказывает на окружающее пространство крошечное давление, когда ненадолго вторгается в него. К сожалению, если оценить суммарное отталкивающее «давление вакуума», которое дают за свою краткую жизнь виртуальные частицы, результат окажется более чем в 10120 раз больше, чем экспериментально полученное значение космологической постоянной. Этот множитель обескураживающе огромен: перед нами самое крупное расхождение теории и наблюдений за всю историю науки.