Сегодня достоверно известно, что Вселенная не просто расширяется – она делает это все быстрее и быстрее.
Данное открытие, сделанное в конце 1990-х годов, стало одним из самых неожиданных и революционных в современной астрономии. Но как ученым удалось это установить?
От расширяющейся к ускоряющейся Вселенной
Истоки этой истории уходят в 1929 год, когда астрофизик и космолог Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от нас, и чем дальше они находятся, тем больше скорость их удаления. Это открытие, подтвержденное астрономами из разных стран, однозначно указывало на расширение Вселенной, подобно надувающемуся воздушному шару.
Однако важнейший вопрос оставался открытым: как именно происходит это расширение? Логично было предположить, что гравитация — "сила" притяжения между всеми объектами, обладающими массой, — должна постепенно замедлять разбегание галактик. Все физические модели предсказывали именно такой сценарий, но...
Поиск ответа занял почти 70 лет.
Сверхновые — маяки космоса
В 1990-х годах две независимые команды ученых обратили внимание на особый тип космических взрывов — сверхновые типа Ia. Представьте их как космические фейерверки невообразимой мощности, которые на короткий промежуток времени становятся ярче целых галактик.
Что делает эти сверхновые уникальными? Они возникают, когда белый карлик (плотный остаток умершей звезды размером с Землю) поглощает материю звезды-компаньона. Когда масса белого карлика становится в 1,4 раза больше массы Солнца (это значение известно как "предел Чандрасекара"), происходит термоядерный взрыв, полностью разрушающий звезду.
Поскольку все такие взрывы происходят при одинаковой массе, они выделяют почти одинаковое количество энергии и имеют схожую яркость. Это делает их идеальными "стандартными свечами" — космическими маяками с известной мощностью. Наблюдая, насколько тусклой выглядит такая сверхновая с Земли, астрономы могут точно определить расстояние до нее, подобно тому, как мы можем оценить расстояние до уличного фонаря известной мощности по его видимой яркости.
Одну команду возглавлял астрофизик Сол Перлмуттер из Калифорнийского университета в Беркли (проект Supernova Cosmology Project). Вторую группу, High-Z Supernova Search Team, возглавляли астрофизики Брайан Шмидт из Австралийского национального университета и Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса.
Обе команды охотились за очень далекими сверхновыми, свет от которых шел к нам миллиарды лет. Сравнивая яркость этих сверхновых с их красным смещением (показателем скорости удаления), ученые смогли установить, как менялась скорость расширения Вселенной в ходе ее эволюции.
В 1998 году обе команды проанализировали собранные данные, и результаты оказались настолько шокирующими, что ученые перепроверяли их снова и снова, ища возможные ошибки. Далекие сверхновые выглядели значительно тусклее, чем ожидалось. Это означало только одно: они находились дальше от нас, чем должны были быть согласно всем существующим моделям, гласящим, что с течением времени расширение Вселенной замедляется.
Вывод был революционным, противоречащими всему, что знали о гравитации: расширение Вселенной не замедляется под действием взаимного притяжения материи, а с течением времени лишь ускоряется. Какая-то неизвестная сила противодействует гравитации и растягивает космическое пространство.
Темная энергия — космический ускоритель
Чтобы объяснить это удивительное явление, физики ввели понятие "темной энергии" — загадочной субстанции, которая пронизывает все пространство, даже кажущуюся пустоту, и обладает уникальным свойством: она создает отрицательное давление, которое действует против гравитационного притяжения и ускоряет расширение пространства-времени.
В отличие от обычной материи, которая при расширении Вселенной "разбавляется" (ее плотность падает), плотность темной энергии остается постоянной независимо от объема пространства. Это означает, что локальное воздействие темной энергии не меняется, но с расширением Вселенной гравитационное притяжение материи становится все слабее, а влияние темной энергии — все более доминирующим. По современным оценкам, на темную энергию приходится около 68% от всей массы-энергии Вселенной, что делает ее основным компонентом мироздания, определяющим судьбу Вселенной и ее обитателей.
Что же представляет собой эта загадочная субстанция? Научных гипотез множество. Некоторые физики считают ее проявлением энергии квантового вакуума — бурлящего "океана" виртуальных частиц, которые постоянно возникают и исчезают буквально из "ничего", как предсказывает квантовая теория поля. Другие предполагают, что мы наблюдаем проявление пятого фундаментального взаимодействия или, возможно, нам стоит пересмотреть общую теорию относительности Эйнштейна. Однозначного ответа пока нет, так что исследования продолжаются.
Признание и подтверждение открытия
В 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс были удостоены Нобелевской премии по физике "за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения далеких сверхновых".
За прошедшие 27 лет их революционный вывод был многократно подтвержден разными методами. Например, космический телескоп ESA "Планк", изучая микроволновое реликтовое излучение — древнейший свет во Вселенной, оставшийся от Большого взрыва — обнаружил признаки влияния темной энергии. Масштабное картографирование галактик в рамках международного проекта "Слоуновский цифровой небесный обзор" (Sloan Digital Sky Survey) также подтвердило ускоренное расширение космоса.