Уже почти столетие астрономы знают, что Вселенная расширяется. Пространство-время простирается на миллиарды световых лет, разнося галактики внутри себя. Это устойчивое расширение, противопоставленное стремлению космоса схлопнуться под действием собственной гравитации, означает, что есть два основных сценария того, как Вселенная прекратит свое существование. Эти сценарии получили следующие названия:
- Большое сжатие — гравитация преодолеет расширение, и все имеющееся во Вселенной притянется друг к другу, тем самым снова спровоцировав большой взрыв;
- Больше замораживание — гравитация проигрывает расширению, а вся материя будет рассредоточена на непостижимых расстояниях.
Некоторое время исследователи полагали, что судьба Вселенной склоняется к первому сценарию. Но в конце 1990-х астрономы обнаружили нечто неожиданное, изменившее наше представление о будущем Вселенной: самые далекие галактики не просто удаляются от нас, они ускоряются.
Космологическая загадка
Это явление было независимо обнаружено двумя группами астрономов. Они, ожидая обнаружить замедление, изучали далекие сверхновые, чтобы вычислить точную скорость расширения Вселенной. Трое из этих ученых — Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт — разделили Нобелевскую премию по физике 2011 года за свое открытие.
Отмеченные наградами наблюдения были получены в результате изучения далеких сверхновых типа Ia (сверхновая, образованная в результате термоядерного взрыва белого карлика). Астрономы полагают, что эти взрывы происходят, когда белый карлик — остаток звезды, похожей на Солнце, с высокой плотностью — накапливает материи больше, чем позволяет накопить физический предел. Этот предел одинаков для всех белых карликов, а значит, и их взрыв происходит всегда с одинаковой яркостью (истинной светимостью). Это свойство сделало эти сверхновые идеальными маркерами расстояний в середине 1990-х годов.
Обе команды в действительности заглядывали в прошлое, ожидая обнаружить свидетельства космического замедления: они искали момент времени, в котором гравитация победила над быстрым ускорением космоса после Большого взрыва. Этот момент означал бы, что притяжение, наконец, начало снижать скорость, с которой галактики и скопления галактик отдаляются друг от друга.
Поскольку ученым известна истинная светимость взрывающихся белых карликов, они могут вычислить, насколько яркими будут эти далекие сверхновые, при замедлении расширения. Но они обнаружили, что наблюдаемые сверхновые типа Ia были на 25% тусклее, чем ожидалось. Это и стало доказательством того, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. К концу 1998 года обе команды представили в академические журналы статьи с подробным описанием своих выводов. У обоих он был следующим: больший процент Вселенной состоит из чего-то ранее неизведанного. И эта так называемая темная энергия сильнее гравитации и растягивает пространство-время изнутри.
Много недостающих частей
Состав Вселенной, на удивление, сложно определить. Помимо темной энергии, пространство также заполнено невидимой формой материи, известной как темная материя. Теперь астрономы знают, что обычная видимая материя составляет всего 5% Вселенной, в то время как загадочная темная материя и темная энергия составляют 26% и 69% соответственно. Другими словами, астрономы не совсем понимают, из чего на самом деле состоит примерно 95 процентов Вселенной.
И даже спустя десятилетия после своего открытия ученые все еще шокирующе мало знают о «темных» силах, управляющих нашей Вселенной.
«Понимать и измерять темную материю и темную энергию сложно. Представьте, что вы в абсолютно темной комнате иногда касаетесь объекта, который никогда не видели и пытаетесь понять, что это такое, как оно выглядит»
Но эта темная комната размером с Вселенную. И вместо того, чтобы дотронуться до объекта, астрономы могут видеть только воздействие, которое он оказывает на другие объекты. Ученые 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. (Известными четырьмя являются: слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, гравитация и электромагнетизм.) Но ее точные свойства все еще остаются загадкой, тем более что темная энергия, кажется, начала оказывать расширяющий эффект на Вселенную не с момента Большого Взрыва. Самые последние измерения показывают, что темная энергия действительно вызвала ускорение около 5-6 миллиардов лет назад, и с тех пор она является доминирующей силой.
Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это внутренняя энергия самого пространства. Альберт Эйнштейн первоначально ввел именно такую концепцию при изложении своей теории относительности. Так называемая космологическая постоянная Эйнштейна — это сила отталкивания, которая противодействует силе притяжения гравитации, оставляя Вселенную в равновесии — не сжимающейся и не расширяющейся. Но, в конце концов, Эйнштейн отказался от своей концепции после того, как Эдвин Хаббл увидел расширение Вселенной. Работа над сверхновыми, получившая Нобелевскую премию в 1990-х годах, воскресила космологическую постоянную и связала ее с темной энергией.
Что нас ждет
По словам Адама Рисса — одного из ученых, получивших Нобелевскую премию за доказательство расширения вселенной — чтобы в конечном итоге раскрыть загадку темной энергии, ученым потребуется нечто большее, чем просто измерения. Лучшие физики-теоретики мира пытались разработать единую теорию физики, которая бы полностью объяснила все аспекты Вселенной. Но до сих пор не удалось найти связь между гравитацией и квантовой физикой, несмотря на то, что теоретики считают это необходимым для любой теории, которая могла бы объяснить темную энергию.
Однако учёным удалось выяснить, какое огромное влияние темная энергия окажет на Вселенную в далеком будущем.
Если вклад темной энергии возрастает с возрастом Вселенной, она будет расширяться все быстрее. Галактики за пределами нашей Местной группы в конечном итоге будут унесены на такие большие расстояния, что любые обитатели нашей солнечной системы в далеком будущем не смогут их увидеть.
Алексей Филиппенко, астроном из Калифорнийского университета в Беркли, который работал с обеими группами, открывшими темную энергию, говорит:
«Если все записи будут потеряны, будущие цивилизации могут никогда не узнать о других галактиках. Для них Вселенная будет холодным, темным, одиноким местом»
