Все, что есть на Земле, в нашей Солнечной системе, в нашей галактике и за ее пределами, заключено во Вселенной. Так сколько же наука может рассказать нам о всеобъемлющей четырехмерной колыбели, в которой хранится все космическое время? Очень много.
Философы, математики и астрономы разных культур и веков долго спорили и строили теории о ночном небе. Но в начале 1920-х годов астроном Эдвин Хаббл, опираясь на работы Генриетты Свон Ливитт и других ученых, создал первое четкое доказательство того, что видимые в телескопы вращающиеся скопления на самом деле являются далекими галактиками, сравнимыми с нашим Млечным Путем. Получив детальные снимки с длительной экспозицией таких космических объектов, как пульсирующие переменные звезды Цефеиды, Хаббл подтвердил истинную природу туманности Андромеды и других. Это были не просто близлежащие газовые облака, а далекие острова миров и звезд.
За прошедшее с тех пор столетие наша способность видеть все дальше и дальше в космос значительно улучшилась. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) - самый современный из когда-либо запущенных, и он регулярно предоставляет замечательные снимки со всей Вселенной. Используя данные, полученные с помощью космических телескопов и других приборов, астрономы, космологи и астрофизики могут сделать выводы и предсказать многое о форме, скорости изменения и характере Вселенной. Вот что мы знаем и чего не знаем.
Насколько велика Вселенная?
Давайте поскорее избавимся от разочарования: «Физически мы никогда не узнаем, насколько велика Вселенная», - говорит Сара Уэбб, астрофизик из Технологического университета Суинберна (Австралия) в интервью журналу Popular Science.
Однако мы знаем, что Вселенная больше 93 миллиардов световых лет в поперечнике. Это диаметр сферы «наблюдаемой Вселенной», в центре которой мы находимся. Наша способность наблюдать и измерять звезды ограничена возрастом Вселенной и скоростью света. Единственный свет, который мы можем видеть, — это свет, который смог добраться до нас за время, прошедшее после Большого взрыва, который произошел около 13,8 миллиарда лет назад. Поэтому свет, преодолевший 13,8 миллиарда световых лет, - самый древний из видимых нами.
Однако наблюдаемая Вселенная простирается дальше, чем на 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях, потому что за все время существования пространства оно также расширялось. Это расширение означает, что свет, появившийся 13,8 миллиарда лет назад, на самом деле преодолел 46,5 миллиарда световых лет, чтобы попасть в наши глаза и телескопы.
«Теоретически это означает, что пространство расширяется быстрее, чем скорость света», - говорит Уэбб. «Небытие пространства и времени не подчиняется законам материи и физических вещей».
И хотя у нас нет точных данных о размерах Вселенной, Уэбб считает, что она вполне может быть бесконечной. "Нет никаких причин, чтобы она была ограничена. Нет причин, по которым у нее должен быть край здесь или там", - говорит она.
Существование краев остается под вопросом, но астрофизики в целом согласны с формой Вселенной: она плоская, хотя, возможно, и не такая, как вы себе представляете. Плоскость не означает, что наша Вселенная двухмерна (пространство-время существует в четырехмерном пространстве). Однако это означает, что, двигаясь вперед и не меняя направления движения, вы никогда не вернетесь туда, откуда начали свой путь.
Как мы можем узнать, что Вселенная расширяется?
Используя теории и измерения света, исходящего от далеких звезд, многие астрономы в начале 1900-х годов предположили, что Вселенная расширяется. В 1924 году шведский астроном Кнут Лундмарк нашел первое наблюдательное доказательство расширения Вселенной. Работа Хаббла подтвердила эти выводы в 1929 году. Эти ранние наблюдения основывались на явлении, называемом красным смещением, которое представляет собой визуальную версию эффекта Доплера.
Вспомните, как звуковые волны от сирены проезжающей мимо машины скорой помощи меняют тональность в зависимости от положения и скорости автомобиля: звук становится выше при приближении и ниже, когда машина набирает скорость. Точно так же на наше восприятие световых волн влияют движение и скорость света. Свет, движущийся к вам, будет казаться более синим, а удаляющийся - более красным, поскольку пики и впадины волны сжимаются и растягиваются соответственно.
Хаббл и другие исследователи заметили, что все открытые ими галактики с Земли кажутся красными, причем более удаленные галактики демонстрируют наибольшее красное смещение. Это говорит о том, что все галактики удаляются от нас.
Помимо наблюдений за красным смещением, астрономы прошлого и настоящего также полагаются на «стандартные свечи», чтобы оценить размер и скорость Вселенной. По словам Эбигейл Ли, астронома и кандидата наук из Чикагского университета, стандартные свечи — это красивые космологические маркеры известной яркости, которые можно использовать для наблюдения за тем, как свет перемещается и изменяется в пространстве и времени. Первым типом стандартных свечей, обнаруженных Хабблом, были переменные Цефеиды - пульсирующие звезды, излучающие яркий свет в регулярном, периодическом режиме, по которому можно определить их расстояние до Земли.
Ли объясняет это с помощью наглядной аналогии. Представьте себе лампочку накаливания мощностью 40 ватт. Все лампочки одинаковой мощности имеют одинаковую внутреннюю яркость. Однако если вы посмотрите на лампочку с расстояния 30 метров, она покажется вам более тусклой, чем на расстоянии 3 метров. По этой относительной тусклости можно вычислить, насколько далеко находится лампочка. То же самое происходит с Цефеидами в космосе. Другие стандартные свечи, используемые для той же цели, включают некоторые типы сверхновых (то есть взрывающихся звезд. "Мы знаем, что эти звезды имеют совершенно одинаковую внутреннюю светимость, и поэтому можем использовать это свойство для измерения расстояния, - рассказывает Ли в интервью Popular Science.
Мы можем приблизительно определить расстояние между Землей и другими галактиками, если будем искать туманности, содержащие эти стандартные свечи". В 2011 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике за демонстрацию того, что Вселенная не только расширяется, но и темная энергия ускоряет это расширение.
Темная энергия — это таинственная и отталкивающая сила, раздвигающая космическую материю и объекты. Принято считать, что экспансивные силы темной энергии равномерны по всей Вселенной и одинаково давят на все объекты. Однако само расширение не является равномерно наблюдаемым. В пределах нашей планеты, Солнечной системы и галактики притягательная сила гравитации удерживает все относительно связанным и менее подверженным воздействию темной энергии. Да и сама скорость расширения не настолько быстра, чтобы ее можно было легко наблюдать на малых масштабах. Чтобы обнаружить его, нужно наблюдать за очень далекими объектами.
Как быстро расширяется Вселенная?
Основываясь на своих ранних наблюдениях, Хаббл впервые предположил, что Вселенная расширяется со скоростью около 500 километров в секунду на мегапарсек (Мпк), где мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет. Скорость расширения Вселенной стала известна как постоянная Хаббла (H0) несмотря на то, что первоначальная оценка титулованного астронома оказалась довольно далекой.
Теперь мы имеем более четкое представление о скорости расширения. Ученые обычно соглашаются, что H0 находится в диапазоне 65-75 км/сек/Мпк. Скорость расширения Вселенной зависит как от времени, так и от расстояния. Она больше в больших областях пространства и на больших отрезках времени. И вопрос о точной скорости остается нерешенным. В зависимости от того, кого вы спрашиваете и как измеряете, расчеты истинного значения H0 варьируются. В общем, два разных подхода к количественному определению H0 обычно дают разные результаты. Это расхождение известно как «хаббловское натяжение».
Согласно одному набору измерений, который опирается на относительно близкие расчеты стандартных свечей, H0 составляет 73 +/- 1 километра в секунду на мегапарсек. По другому типу анализа, который опирается на измерения космического фонового излучения, H0 составляет 67 +/- 1. «Оба измерения имеют настолько точные погрешности, что для ошибки нет места», - говорит Ли.
Какое-то время астрономы думали, что более точные приборы смогут разрешить эту проблему, сблизив измеренные значения, но этого не произошло. Самые последние расчеты, основанные на данных JWST, по-прежнему не сближают оценки H0.
"Темная энергия сейчас находится в кризисе, потому что ничего не сходится несмотря на то, что все проведенные научные исследования невероятно строги, - говорит Уэбб.
Возможно, расхождение объясняется ошибками измерений. Однако не исключено, что происходит нечто большее. Возможно, предполагает Уэбб, силы темной энергии, которые, как считается, вызывают расширение Вселенной, не совсем однородны. Возможно, нам нужна новая теория физики, чтобы объединить эти наблюдения.
Ученые работают над проблемой со всех сторон, рассматривая способы улучшения измерений, а также формулируя потенциальные объяснения большой картины.
Однако все эти исследования зависят от постоянного финансирования и федеральных инвестиций. Предлагаемое масштабное сокращение бюджета НАСА приведет к отмене нескольких крупных миссий, включая запуск космического телескопа имени Нэнси Грейс Роман. Этот очередной космический телескоп был создан специально для изучения тайн темной энергии и расширения Вселенной. После многих лет разработки он почти готов к запуску - с опережением графика и в рамках бюджета. Теперь есть шанс, что он так и не достигнет космоса, оставив черную дыру, в которой могли бы свершиться новые открытия.