От начала до конца Вселенной
Вселенная не просто расширяется, она ускоряется.
Уже почти столетие астрономы знают, что Вселенная расширяется. Пространство-время растягивается на миллиарды световых лет, увлекая за собой находящиеся в ней галактики, подобно изюму, вложенному в поднимающуюся буханку хлеба. Это постоянное расширение, противостоящее стремлению
а разрушиться под действием собственной гравитации, означает, что существует два основных сценария того, как Вселенная в конечном итоге закончится. Эти сценарии получили название «Большой взрыв» — когда гравитация побеждает расширение и Большой взрыв происходит в обратном направлении — и «Большое замирание» — когда гравитация проигрывает расширению и вся материя оказывается изолированной на непостижимых расстояниях.
Большой взрыв
Примерно 5-6 миллиардов лет назад сила отталкивания темной энергии начала пересиливать силу притяжения гравитации в больших масштабах. Вселенная яростно взорвалась из чрезвычайно горячей и плотной точки концентрированной энергии. Это привело к тому, что Вселенная стала расширяться с возрастающей скоростью. Менее, чем за 10 секунд, Вселенная раздулась во все стороны, увеличиваясь быстрее скорости света и выталкивая всю материю и энергию в космос.
Некоторое время исследователи считали, что судьба Вселенной склоняется к последнему сценарию. Но в конце 1990-х годов астрономы обнаружили нечто неожиданное, что изменило наше представление о будущем Вселенной: Самые отдаленные галактики не просто удалялись от нас. Они ускорялись.
Космологическая загадка
Это явление было независимо открыто двумя группами астрономов, которые проводили измерения далеких сверхновых, чтобы рассчитать точную скорость расширения Вселенной, ожидая обнаружить, что она замедляется. Трое из этих ученых — Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт — разделили Нобелевскую премию по физике 2011 года за свое открытие. Наблюдения, удостоенные награды, были сделаны в ходе исследования далеких сверхновых типа Ia. Астрономы полагают, что эти взрывы происходят, когда белый карлик — плотный остаток звезды, похожей на Солнце, — накапливает материю, которая толкает его за физический предел массы. Этот предел одинаков для всех белых карликов, поэтому все сверхновые типа Ia имеют одинаковую истинную яркость. Это свойство сделало сверхновые идеальными стандартными маркерами расстояния, или стандартными свечами, в середине 1990-х годов. На самом деле обе команды искали начало космического замедления во времени: Они искали момент времени, когда гравитация возобладала над стремительным ускорением космоса после Большого взрыва. Этот момент ознаменовал бы поворот, когда гравитация наконец-то начала замедлять скорость, с которой галактики и скопления галактик отталкиваются друг от друга в результате расширения Вселенной.
Поскольку ученые знают истинную яркость стандартных свечей, они могли бы предположить, насколько яркими были бы эти далекие сверхновые, если бы расширение замедлилось. Но вместо этого они обнаружили, что наблюдаемые сверхновые типа Ia на 25 процентов тусклее, чем ожидалось, что доказывает, что расширение Вселенной не замедляется, а наоборот, ускоряется. К концу 1998 года обе команды представили в научные журналы статьи с подробным описанием своих выводов. Команда Перлмуттера опубликовала свою работу в «Астрофизическом журнале», а команда Рисса и Шмидта — в «Астрономическом журнале».
Вывод, сделанный обеими группами: большая часть Вселенной состоит из чего-то ранее не обнаруженного и неожиданного. И эта так называемая темная энергия преодолевает гравитацию и раздвигает пространство-время изнутри.
Состав Вселенной сложно определить
Помимо темной энергии, пространство также заполнено невидимой формой материи, известной как темная материя. Сейчас астрономы знают, что обычная, видимая материя составляет всего 5 процентов Вселенной, а загадочные темная материя и темная энергия — 26 процентов и 69 процентов соответственно. Другими словами, астрономы не понимают, из чего на самом деле состоит около 95 процентов Вселенной. И даже спустя десятилетия после их открытия ученые все еще знают шокирующе мало о «темных» силах, которые управляют нашей Вселенной. «Понять и измерить темную материю и темную энергию очень сложно», — говорит Рисс. «Представьте себе, что вы передвигаетесь по темной комнате, время от времени прикасаясь к слону, но никогда его не видели, и [пытаетесь понять], что это такое, как он выглядит». Но темная комната — это размер Вселенной, и вместо того, чтобы потрогать слона, астрономы могут лишь наблюдать его влияние на другие объекты.
Астрономы видят, что темная материя гравитационно взаимодействует с видимой материей, поэтому они подозревают, что она состоит из одной или нескольких неизвестных частиц. Темная энергия может быть пятой фундаментальной силой Вселенной. (Известны четыре: слабая сила, сильная сила, гравитация и электромагнетизм). Но ее точные свойства до сих пор остаются загадкой, особенно потому, что темная энергия, похоже, случайно включается сама по себе. Рисс говорит, что последние измерения показывают, что темная энергия действительно запустила это ускорение примерно 5-6 миллиардов лет назад, и с тех пор она является доминирующей силой. Самое простое объяснение темной энергии заключается в том, что это внутренняя энергия самого пространства. Альберт Эйнштейн изначально ввел такое понятие, чтобы допустить плоскую Вселенную, когда излагал свою теорию относительности. Так называемая космологическая постоянная Эйнштейна представляет собой отталкивающую силу, которая противодействует притягивающей силе гравитации, что позволяет Вселенной не коллапсировать и не расширяться. Но, в конце концов, Эйнштейн отказался от своей концепции после того, как Эдвин Хаббл наблюдал расширение Вселенной. Нобелевская работа по сверхновым в 1990-х годах воскресила космологическую постоянную и связала ее с темной энергией.
Что ждет нас впереди
Для окончательного решения загадки темной энергии, по словам Рисса, ученым потребуется нечто большее, чем просто измерения. Лучшие физики-теоретики мира пытаются разработать великую единую теорию физики, которая полностью объясняет все аспекты Вселенной. Но пока что гравитация и квантовая физика, похоже, не сходятся, несмотря на то, что теоретики считают их объединение необходимым для любой теории, которая также объяснит темную энергию. Однако ученым удалось выяснить одну вещь: какое глубокое влияние темная энергия окажет на Вселенную в отдаленном будущем. Если вклад темной энергии будет расти по мере старения Вселенной, то с течением времени Вселенная будет расширяться все быстрее. Другие галактики за пределами нашей Местной группы — сольются в одну гигантскую галактику по прозвищу Милкомеда — в конечном итоге они будут удалены на такие огромные расстояния, что обитатели нашей Солнечной системы в далеком будущем не смогут их увидеть. На самом деле, Алексей Филиппенко, астроном из Калифорнийского университета в Беркли, который работал с обеими командами, открывшими темную энергию, говорит: «Если все записи будут потеряны, будущие цивилизации могут никогда не узнать о других галактиках». Для них, говорит он, «[Вселенная] будет холодным, темным, одиноким местом».
