28.10.2011 год. Астрономы
экспериментально доказали, что мы живем в мире, о котором не знаем
ровным счетом ничего. За такие открытия теперь дают Нобелевскую премию.
Лишь в четвертый раз в истории Нобелевской премии награду по физике присудили астрономам. Американские ученые Сол Перлмуттер, Адам Райсс и австралиец Брайан Шмидт открыли феномен ускоряющегося расширения Вселенной, а также первыми оценили грандиозную роль загадочной темной энергии, которую нельзя ни пощупать, ни увидеть. Выдающиеся научные заслуги нынешней троицы лауреатов не вызывают сомнений: за это же открытие двое из них удостоились пять лет назад престижной премии Шао Ифу, которую нередко именуют «азиатской Нобелевкой». Осенью 1998 года опубликованная в Astronomical Journal статья о «темной стороне силы» вызвала у специалистов настоящий шок. Да и сами авторы были так поражены полученными результатами, что долго искали ошибку в расчетах. Вскоре статья была признана важнейшей научной публикацией года — она заставила кардинально пересмотреть господствовавшие космологические представления.
Безбрежный океан
Для того чтобы лучше узнать свойства нашей Вселенной, будущие лауреаты использовали в 1998 году космический телескоп имени Хаббла, с помощью которого можно наблюдать самые далекие объекты. Они применили метод, основанный на регистрации вспышек далеких сверхновых звезд. В наблюдениях определяли видимый блеск звезды, по которому рассчитывали расстояние, отделяющее ее от Земли, а также красное смещение спектральных линий, позволяющее вычислить скорость, с которой звезда удаляется от нас. Сопоставление результатов измерений позволило сделать удивительный вывод: чем дальше от нас звезда, тем выше скорость ее «убегания». А это значит, что Вселенная расширяется с ускорением, а вовсе не с замедлением, как считалось раньше. В то же время из классической механики следует, что ускоренное разбегание Вселенной возможно только в том случае, когда на звезды и галактики действует сила, противодействующая тяготению, — антигравитация. Казалось бы, такого не может быть. Ведь вокруг нет ничего, кроме вакуума, а он, как мы привыкли считать со школьной скамьи, есть пустота. Оказывается, это совсем не так. Космический вакуум содержит энергию, а значит, можно рассчитать ее величину. Это и сделали нобелевские лауреаты. В пересчете на условно бесконечные размеры Вселенной эта отрицательная величина приобретает поистине грандиозный размах. Иначе говоря, в космическом вакууме, который мы считали «ничем», содержится безбрежный океан энергии. Ученые не знают, что это такое, но многие говорят о ней как о некой темной энергии. Сегодня разрабатываются различные теоретические модели, позволяющие разгадать ее природу, но все они далеки от завершения, а некоторые и вовсе уводят в сторону — впрочем, одновременно расширяя общую картину мира. Например, еще до обнаружения антигравитации в космологии было сделано фундаментальное открытие — феномен так называемых скрытых масс, которые нередко путают с темной энергией.
У многих галактик-гигантов есть спутники — более мелкие галактики. Есть такие и у нашей Галактики. Их называют Магеллановыми Облаками. В соответствии с законом Кеплера с увеличением расстояния от центра основной Галактики скорость их «убегания» должна убывать. Но измерение скоростей показало, что этого не происходит, они остаются постоянными. И астрономы предположили, что в Галактике, кроме видимых звезд, имеются и другие тяготеющие массы, распределенные вокруг центрального галактического диска. Эти массы и назвали скрытыми: до недавнего времени было принято считать, что раз они не светятся, то и обнаружить их невозможно. Позже оказалось, что скрытую массу можно наблюдать, причем с помощью оптических методов. «Представим себе, что за большой по размеру скрытой массой находится далекая галактика, — говорит главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, директор Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия) академик Рашид Сюняев. — Ее излучение под влиянием гравитационного воздействия скрытой массы будет искажаться. В результате земной наблюдатель увидит не одну, а две совершенно одинаковые галактики и придет к выводу о том, что сработал эффект «гравитационной линзы», роль которой сыграла эта скрытая масса».
Феномен скрытых масс наблюдается и у других галактик, образуя вокруг их ядра весьма протяженную сферическую корону. Согласно последним данным, сферическая корона нашей Галактики простирается от ее диска на 650 тысяч световых лет. Чтобы уравновесить движение звезд и галактик-спутников, в этой короне должна быть сосредоточена масса, значительно превышающая массу всех видимых звезд. Что представляет собой «строительный материал» этой короны? На эту роль астрономами предлагаются разные кандидаты: потухшие звезды, черные дыры, остывшие белые карлики, межзвездная пыль или даже реликтовые нейтрино, возникшие при Большом взрыве.
Так или иначе, но астрономам удалось посчитать среднюю плотность скрытой массы во Вселенной. Средняя плотность вещества светящихся звезд, как и плотность энергии вакуума, известна. Если выразить соотношение этих цифр в процентах, то легко убедиться, что основная часть энергии мира — 67 процентов (по другим оценкам, 75 процентов) — приходится на космический вакуум, или темную энергию. На скрытую массу, обнаруживающую себя гравитацией, — 30 процентов, а на обычное вещество, все звезды, планеты и наш с вами мир — всего 3 процента. Поистине у нас есть все основания называть нашу Вселенную неизвестной!
Что было, что будет?
Открытие антигравитации космического вакуума проливает свет на прошлое и будущее Вселенной. Сегодня ученые предполагают, что сразу после Большого взрыва Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, а потом этот процесс постепенно стал замедляться. Ведь масса, которой обладает материя во Вселенной, точнее, свойственная ей гравитация, должна была бы постепенно тормозить расширение Вселенной. Теперь, когда открыта антигравитация, стало ясно, как заблуждались астрофизики, думая, что замедление продолжается. «Самое удивительное, что в первые 7—8 миллиардов лет Вселенная действительно расширялась с замедлением, и изучение реликтового излучения подтверждает этот факт, — объясняет Рашид Сюняев. — Лишь когда Вселенная достаточно расширилась, вакуум стал набирать силу. Началось ускорение, которое продолжается сегодня». Что будет дальше? Астрофизики приходят к выводу, что распределение вакуума по Вселенной равномерно: его плотность постоянна и однородна повсюду, во всех ее уголках. Но раз вакуум неизменен, то и свойства пространства-времени, которые он определяет, также должны быть инвариантными. Мир, в котором господствует вакуум, в межзвездных масштабах должен подчиняться геометрии Евклида и быть неизменным во времени. Следовательно, эволюция мира постепенно затухает, его пространственно-временной каркас, на фоне которого продолжается космологическое расширение, становится все более статичным. Что потом? Вероятно, начнется новый виток истории мира — замедление расширения и сжатие Вселенной в одну точку. Так полагают сторонники теории «закрытой» Вселенной, утверждающие, что она, подобно человеческому сердцу, пульсирует, то сжимаясь, то расширяясь. И, значит, представляет собой гигантский вечный двигатель. Но какие механизмы запускают этот процесс и поддерживают его в неизменном состоянии? На этот вопрос ученым еще предстоит ответить, и эта задача не менее захватывающая, чем выяснение обстоятельств рождения Вселенной. В то же время сторонники теории «открытой» Вселенной считают, что она будет расширяться бесконечно долго, становясь все более холодной, пустой и мертвой.
Пружина бытия
В 2009 году сотрудник Института космических исследований РАН и Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра США доктор физико-математических наук Алексей Вихлинин решил взглянуть на эту проблему под другим углом. «С помощью мощных оптических и рентгеновских телескопов по всему миру, а также американской космической обсерватории «Чандра» мы с коллегами несколько лет изучали наиболее массивные скопления из тысяч галактик, подобных нашей, — рассказывает ученый. — Выяснилось, что если в период молодости Вселенной галактики активно прибавляли в массе, то примерно пять миллиардов лет назад начали активно «худеть». С тех пор массы не растут».
Группе Вихлинина удалось внести некоторую ясность в абсолютно темный вопрос о природе загадочной энергии. Ученые описали ее свойства числом, физический смысл которого можно сравнить с жесткостью пружины: именно с такой силой темная энергия расталкивает галактики. «От величины этой «жесткости» зависит будущее Вселенной, — говорит Вихлинин. — Если она такая, как мы сегодня наблюдаем, то есть близка к минус единице, то темная энергия не сможет растащить находящиеся по соседству галактики, например наш Млечный Путь и туманность Андромеды. Под действием сил тяготения они в конце концов сольются, что сейчас уже наблюдается. Но на больших расстояниях темная энергия возьмет свое, и галактики в конце концов уплывут за горизонт нашего мира. Значит, в будущем останется один огромный потомок Млечного Пути и Андромеды, вокруг которого не будет ничего».
Что станет с родной Вселенной, если «жесткость» окажется намного меньше минус единицы? «Тогда расширение будет происходить более быстрыми темпами, и дело может кончиться Большим разрывом: вначале галактик, потом Солнечной системы, планет, других небесных тел, — предупреждает ученый. — Какой сценарий окажется более правдоподобным, должны показать предстоящие эксперименты» Понять ход процесса ученые надеются и при помощи российско-германской орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», запуск которой запланирован на 2012 год. «Эта уникальная программа поможет подробнее изучить структуру Вселенной и понять, какую роль в ее эволюции играет темная энергия, — говорит Рашид Сюняев. — Ожидается, что в результате работы обсерватории будет обнаружено около 100 тысяч новых скоплений галактик и более 3 миллионов новых активных ядер галактик, в центре которых предположительно находятся сверхмассивные черные дыры».
А что человечеству от этих знаний? Кроме понимания законов, по которым живет наша Вселенная, и знания о том, что Млечный Путь и Андромеда сольются лет эдак через миллиард-другой, в этом есть и прямая практическая польза. По оценкам ученых, в ближайшие 20 лет они смогут узнать физические характеристики темной энергии и со временем научиться использовать ее для решения энергетических проблем человечества. Это будет новое черное золото — только, в отличие от нефти, неисчерпаемое.
