Ми живемо в світі, про яку не знаємо рівним рахунком нічого
Астрономи експериментально довели, що ми живемо в світі, про яку не знаємо рівним рахунком нічого. За такі відкриття тепер дають Нобелівську премію.
Лише в четвертий раз в історії Нобелівської премії нагороду з фізики присудили астрономам. Американські вчені Сол Перлмуттер, Адам Райсс і австралієць Брайан Шмідт відкрили феномен прискореного розширення Всесвіту, а також першими оцінили грандіозну роль загадкової темної енергії, яку не можна ні помацати, ні побачити. Видатні наукові заслуги нинішньої трійці лауреатів не викликають сумнівів: це ж відкриття двоє з них удостоїлися п'ять років тому престижної премії Шао Іфу, яку нерідко називають «азійських Нобелівкою». Восени 1998 року опублікована в Astronomical Journal стаття про «темну сторону сили» викликала у фахівців справжній шок. Та й самі автори були так вражені отриманими результатами, що довго шукали помилку в розрахунках. Незабаром стаття була визнана найважливішою науковою публікацією року — вона змусила кардинально переглянути панували космологічні уявлення.
Безмежний океан
Для того щоб краще дізнатися властивості нашого Всесвіту, майбутні лауреати використовували в 1998 році космічний телескоп імені Габбла, за допомогою якого можна спостерігати найвіддаленіші об'єкти. Вони застосували метод, заснований на реєстрації спалахів далеких наднових зірок. У спостереженнях визначали видимий блиск зірки, за яким розраховували відстань, що відділяє її від Землі, а також червоне зміщення спектральних ліній, що дозволяє обчислити швидкість, з якою зоря віддаляється від нас. Зіставлення результатів вимірювань дозволило зробити дивовижний висновок: чим далі від нас зірка, тим вище швидкість її «утікання». А це означає, що Всесвіт розширюється з прискоренням, а зовсім не з уповільненням, як вважалося раніше. У той же час з класичної механіки випливає, що прискорене розбігання Всесвіту можливо тільки в тому випадку, коли на зірки і галактики діє сила, що протидіє тяжінню, — антигравітація. Здавалося б, такого не може бути. Адже навколо немає нічого, крім вакууму, а він, як ми звикли вважати зі шкільної лави, є порожнеча. Виявляється, це зовсім не так. Космічний вакуум містить енергію, а значить, можна розрахувати її величину. Це і зробили нобелівські лауреати. У перерахунку на умовно нескінченні розміри Всесвіту ця негативна величина набуває воістину грандіозний розмах. Інакше кажучи, в космічному вакуумі, який ми вважали «нічим», міститься безмежний океан енергії. Вчені не знають, що це таке, але багато говорять про неї як про якоїсь темної енергії. Сьогодні розробляються різні теоретичні моделі, що дозволяють розгадати її природу, але всі вони далекі від завершення, а деякі і зовсім відводять в сторону — втім, одночасно розширюючи загальну картину світу. Наприклад, ще до виявлення антигравітації в космології було зроблено фундаментальне відкриття — феномен так званих прихованих мас, які нерідко плутають з темною енергією.
У багатьох галактик-гігантів є супутники — більш дрібні галактики. Є такі і в нашої Галактики. Їх називають Магеллановыми Хмарами. У відповідності з законом Кеплера із збільшенням відстані від центру основний Галактики швидкість їх «утікання» повинна спадати. Але вимірювання швидкостей показало, що цього не відбувається, вони залишаються постійними. І астрономи припустили, що в Галактиці, крім видимих зірок, є і інші тяжіють маси, розподілені навколо центрального галактичного диска. Ці маси і назвали прихованими: до недавнього часу було прийнято вважати, що раз вони не світяться, то і виявити їх неможливо. Пізніше виявилося, що приховану масу можна спостерігати, причому з допомогою оптичних методів. «Уявімо собі, що за великий за розміром прихованою масою знаходиться далека галактика, — каже головний науковий співробітник Інституту космічних досліджень РАН, директор Інституту астрофізики Товариства їм. Макса Планка (Німеччина) академік Рашид Сюняев. — Її випромінювання під впливом гравітаційного впливу прихованої маси буде спотворюватися. В результаті земний спостерігач побачить не одну, а дві абсолютно однакові галактики і прийде до висновку про те, що спрацював ефект гравітаційної лінзи», роль якої зіграла ця прихована маса».
Феномен прихованих мас спостерігається і в інших галактик, утворюючи навколо їх ядра досить протяжну сферичну корону. Згідно з останніми даними, сферична корона нашої Галактики тягнеться від її диска на 650 тисяч світлових років. Щоб врівноважити рух зірок і галактик-супутників, у цій короні повинна бути зосереджена маса, значно перевищує масу всіх видимих зірок. Що являє собою «будівельний матеріал» цієї корони? На цю роль астрономами пропонуються різні кандидати: згаслі зірки, чорні діри, остиглі білі карлики, міжзоряне пил або навіть реліктові нейтрино, що виникли при Великому вибуху.
Так чи інакше, але астрономам вдалося порахувати середню щільність прихованої маси у Всесвіті. Середня щільність речовини світяться зірки, як і густина енергії вакууму, відома. Якщо виразити співвідношення цих цифр у відсотках, то легко переконатися, що основна частина енергії світу — 67 відсотків (за іншими оцінками, 75 відсотків) — припадає на космічний вакуум, або темну енергію. На приховану масу, обнаруживающую себе гравітацією, — 30 відсотків, а на звичайне речовина, що всі зірки, планети і наш з вами світ — всього 3 відсотки. Справді у нас є всі підстави називати нашу Всесвіт невідомою!
Що було, що буде?
Відкриття антигравітації космічного вакууму проливає світло на минуле і майбутнє Всесвіту. Сьогодні вчені припускають, що відразу після Великого вибуху Всесвіт розширювалася надзвичайно швидко, а потім цей процес поступово став сповільнюватися. Адже маса, якою володіє матерія у Всесвіті, точніше, властива їй гравітація, повинна була б поступово гальмувати розширення Всесвіту. Тепер, коли відкрита антигравітація, стало ясно, як помилялися астрофізики, думаючи, що уповільнення триває. «Найдивовижніше, що в перші 7-8 мільярдів років Всесвіт дійсно розширювалася з уповільненням, і вивчення реліктового випромінювання підтверджує цей факт, — пояснює Рашид Сюняев. — Лише коли Всесвіт досить розширилася, вакуум став набирати силу. Почалося прискорення, яке триває сьогодні».
Що буде далі? Астрофізики приходять до висновку, що розподіл вакууму у Всесвіті рівномірно: його щільність постійна і однорідна всюди, в усіх її куточках. Але раз вакуум незмінний, то і властивості простору-часу, які він визначає, також повинні бути інваріантними. Світ, в якому панує вакуум, в міжзоряних масштабах повинен підкорятися геометрії Евкліда і бути незмінним у часі. Отже, еволюція світу поступово згасає, його просторово-часовий каркас, на тлі якого триває космологічне розширення, стає все більш статичним. Що потім? Ймовірно, почнеться новий виток історії світу — уповільнення розширення і стиснення Всесвіту в одну точку. Так вважають прихильники теорії «закритою» Всесвіту, які стверджують, що вона, подібно людському серцю, пульсує, то стискуючись, то розширюючись. І, отже, являє собою гігантський вічний двигун. Але які механізми запускають цей процес і підтримують його в незмінному стані? На це питання вченим ще належить відповісти, і ця задача не менш захоплююча, ніж з'ясування обставин народження Всесвіту. У той же час прихильники теорії «відкритої» Всесвіту вважають, що вона буде розширюватися безкінечно довго, стаючи все більш холодної, порожній і мертвою.
Пружина буття
У 2009 році співробітник Інституту космічних досліджень РАН і Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру США доктор фізико-математичних наук Олексій Вихлинин вирішив поглянути на цю проблему під іншим кутом. «З допомогою потужних оптичних і рентгенівських телескопів по всьому світу, а також американської космічної обсерваторії «Чандра» ми з колегами кілька років вивчали найбільш масивні скупчення з тисяч галактик, подібних нашій, — розповідає вчений. — З'ясувалося, що якщо в період молодості Всесвіту галактики активно додавали в масі, то приблизно п'ять мільярдів років тому почали активно «худнути». З тих пір маси не ростуть».
Групі Вихлинина вдалося внести деяку ясність в абсолютно темний питання про природу загадкової енергії. Вчені описали її властивості числом, фізичний зміст якого можна порівняти з жорсткістю пружини: саме з такою силою темна енергія розштовхує галактики. «Від цієї величини «жорсткості» залежить майбутнє Всесвіту, — каже Вихлинин. — Якщо вона така, як ми сьогодні спостерігаємо, тобто близька до мінус одиниці, то темна енергія не зможе розвести знаходяться по сусідству галактики, наприклад наш Чумацький Шлях і туманність Андромеди. Під дією сил тяжіння врешті-решт вони зіллються, що зараз вже спостерігається. Але на великих відстанях темна енергія візьме своє, і галактики в кінці кінців попливуть за горизонт нашого світу. Отже, в майбутньому залишиться один величезний нащадок Чумацького Шляху і Андромеди, навколо якого нічого не буде».
Що стане з рідної Всесвіту, якщо «жорсткість» виявиться набагато менше мінус одиниці? «Тоді розширення відбуватиметься більш швидкими темпами, і справа може скінчитися Великим розривом: спочатку галактик, потім Сонячної системи, планет, інших небесних тіл, — попереджає вчений. — Який сценарій виявиться більш правдоподібним, повинні показати майбутні експерименти».
Зрозуміти хід процесу вчені сподіваються і за допомогою російсько-німецької орбітальної астрофізичної обсерваторії «Спектр-Рентген-Гамма», запуск якої запланований на 2012 рік. «Ця унікальна програма допоможе детальніше вивчити структуру Всесвіту і зрозуміти, яку роль у її еволюції грає темна енергія, — говорить Рашид Сюняев. — Очікується, що в результаті роботи обсерваторії буде виявлено близько 100 тисяч нових скупчень галактик і більше 3 мільйонів нових активних ядер галактик, в центрі яких імовірно знаходяться надмасивні чорні діри».
А що людству від цих знань? Крім розуміння законів, за якими живе наша Всесвіт, і знання про те, що Чумацький Шлях і Андромеда зіллються років так через мільярд-другий, в цьому є і пряма практична користь. За оцінками вчених, в найближчі 20 років вони зможуть дізнатися фізичні характеристики темної енергії і з часом навчитися використовувати її для вирішення енергетичних проблем людства. Це буде нове чорне золото — тільки, на відміну від нафти, невичерпне.
Думки
Вадим Казютинский, головний науковий співробітник Інституту філософії РАН, доктор філософських наук:
— Властивість космічного вакууму переносити енергію припускали ще наші далекі предки — античні вчені. Грецьке поняття «меон», або «вакуум», точніше всього перекласти як «ніщо, в якому укладено все». Під «всім» вони мали на увазі не лише енергію, але і «всесвітній банк» інформації, сховище смислів, і, ймовірно, були недалекі від істини. Тому в сучасній космології і філософії науки при описі властивостей космічного вакууму нерідко вживається термін «семантичне простір Всесвіту». Таким чином, те, що вчора здавалося нічим, сьогодні стає всім не тільки для істориків науки, але і для астрономів.
Сергій Попов, старший науковий співробітник Державного астрономічного інституту імені П. К. Штернберга МГУ, кандидат фізико-математичних наук:
— Цікаво, що зараз дані по наднових вже не вважаються кращими аргументами на користь прискореного розширення Всесвіту. Сьогодні ми маємо великий комплекс незалежних даних, що говорять на користь того, що близько 70 відсотків щільності Всесвіту визначається чимось незрозумілим, тим, що ми умовно називаємо темною енергією. Але, незважаючи на всі дискусії про даних по наднових, основні висновки робіт 1998 року були правильними. Так що і премія абсолютно заслужена