Космология последних двадцати пяти лет держится на убеждении, что определённый тип звёздных взрывов всегда выдаёт одинаковое количество света — и это убеждение, похоже, трещит по швам.
Священные коровы астрофизики
Знаете, что объединяет средневековую церковь и современную космологию? Обе построены на догматах, которые нельзя подвергать сомнению без риска для карьеры. Только вместо «земля — центр мироздания» теперь звучит «сверхновые типа Ia — идеальные стандартные свечи». И горе тому еретику, который посмеет указать на очевидные проблемы.
Впрочем, давайте по порядку. В 1998 году две независимые группы астрономов обнаружили нечто поразительное: Вселенная не просто расширяется — она расширяется с ускорением. За это открытие в 2011-м вручили Нобелевскую премию, а в космологический словарь прочно вошёл термин тёмная энергия — загадочная сила, расталкивающая галактики всё быстрее и быстрее.
Но вот незадача: всё это грандиозное открытие базируется на предположении, что взрывы определённых звёзд — сверхновых типа Ia — всегда имеют одинаковую пиковую светимость. Мол, если мы видим такую сверхновую в далёкой галактике и она кажется тусклой, значит, она просто далеко. Элементарная логика, правда?
Только вот эта «элементарная логика» игнорирует один крохотный нюанс: звёзды в ранней Вселенной и звёзды сегодня — это совершенно разные объекты. И взрываются они, как выясняется, тоже по-разному.
Как мы вообще измеряем бездну
Прежде чем разбирать проблему, нужно понять, почему астрономы вообще так зациклились на этих несчастных сверхновых. Дело в том, что измерять расстояния в космосе — занятие неблагодарное и технически кошмарное.
Для близких звёзд работает параллакс: Земля движется вокруг Солнца, и положение звезды на небе чуть-чуть смещается в течение года. Измеряем смещение — вычисляем расстояние. Школьная тригонометрия, ничего сложного. Проблема в том, что этот метод работает только для звёзд в нашей галактической округе — на расстояниях в несколько тысяч световых лет угловые смещения становятся настолько микроскопическими, что их невозможно зафиксировать даже лучшими инструментами.
Для более далёких объектов астрономы придумали хитрый трюк под названием «стандартные свечи». Идея проста до гениальности: если мы знаем истинную светимость какого-то объекта, то по его видимой яркости можем вычислить расстояние. Представьте, что вы смотрите на фонарь в тумане. Зная мощность лампочки и измерив, сколько света до вас доходит, можно прикинуть, как далеко этот фонарь находится.
В роли таких «космических фонарей» традиционно выступали цефеиды — пульсирующие звёзды-гиганты, чей период пульсации напрямую связан с их светимостью. Но цефеиды видны только в относительно близких галактиках. Для измерения расстояний в миллиарды световых лет нужно что-то поярче.
И тут на сцену выходят сверхновые типа Ia — катастрофические взрывы, способные на короткое время затмить целую галактику.
Сверхновые типа Ia — идеальные космические линейки?
Механизм взрыва сверхновой типа Ia выглядит обманчиво просто. Берём белый карлик — мёртвое ядро звезды, сжатое до размеров Земли, но содержащее массу, сравнимую с солнечной. Добавляем к нему звезду-компаньона, с которой на карлик перетекает вещество. Ждём.
Когда масса белого карлика достигает критического значения — примерно 1,4 массы Солнца, так называемого предела Чандрасекара — начинается неконтролируемый термоядерный синтез. Карлик не просто взрывается — он полностью аннигилирует за считанные секунды, выбрасывая в пространство энергию, эквивалентную излучению нескольких миллиардов солнц.
Логика астрономов была железной: раз все белые карлики взрываются при одной и той же критической массе, значит, все взрывы должны высвобождать примерно одинаковое количество энергии. А значит, все сверхновые типа Ia должны иметь одинаковую пиковую светимость. Идеальные стандартные свечи, посланные нам космосом для измерения Вселенной!
Ну, почти идеальные. Ещё в девяностых обнаружилось, что светимость сверхновых Ia варьируется процентов на тридцать-сорок. Но астрономы быстро нашли выход: оказалось, что более яркие сверхновые угасают медленнее, а более тусклые — быстрее. Эта зависимость, известная как соотношение Филлипса, позволила «стандартизировать» свечи: измеряем скорость угасания, вносим поправку, получаем «истинную» светимость.
Проблема решена? Как бы не так.
Когда звёздная эволюция ломает космологию
Вот тут начинается самое интересное — и самое неудобное для официальной космологии.
Когда мы смотрим на далёкие галактики, мы буквально смотрим в прошлое. Свет от галактики, находящейся в десяти миллиардах световых лет, шёл к нам десять миллиардов лет. Мы видим эту галактику такой, какой она была, когда Вселенная была втрое моложе нынешней.
А молодая Вселенная радикально отличалась от современной. После Большого взрыва существовали только водород, гелий и следовые количества лития. Все остальные элементы — углерод, кислород, железо, всё, что астрономы собирательно называют «металлами» — появились позже, в результате термоядерного синтеза в недрах звёзд и взрывов сверхновых предыдущих поколений.
Это значит, что белые карлики в ранней Вселенной формировались из вещества с совершенно иным химическим составом. Меньше «металлов» — другая непрозрачность звёздного вещества. Другая непрозрачность — другая скорость термоядерных реакций при взрыве. Другая скорость реакций — другая пиковая светимость.
Более того, в молодой Вселенной звёзды эволюционировали по-другому. Звёзды с низкой металличностью живут дольше, производят белые карлики с иным соотношением углерода и кислорода, и — барабанная дробь — взрываются с иной энергией.
Исследования последних лет показывают, что разница может достигать нескольких десятков процентов. Это не статистический шум, который можно списать на погрешности измерений. Это систематическая ошибка, встроенная в сами основы метода.
Переведём на человеческий язык: мы измеряли расстояния до далёких галактик линейкой, которая меняет свой масштаб в зависимости от того, куда её прикладывают.
Металличность, возраст и другие неудобные переменные
Давайте разберём проблему детальнее, потому что дьявол, как водится, прячется в мелочах.
Первое: металличность звезды-прародительницы влияет на количество никеля-56, образующегося при взрыве. А именно радиоактивный распад никеля-56 определяет, насколько ярко будет светиться сверхновая на пике. Больше «металлов» в исходной звезде — больше никеля — ярче взрыв. Или наоборот — тут исследования пока расходятся во мнениях, что само по себе показательно.
Второе: возраст звёздной популяции определяет, какие именно белые карлики взрываются. В старых галактиках с низким темпом звездообразования сверхновые Ia происходят с «задержкой» — от формирования звезды-прародительницы до взрыва проходят миллиарды лет. В молодых галактиках с активным звездообразованием встречаются «быстрые» сверхновые с задержкой всего в сотни миллионов лет. Эти два подтипа имеют статистически различающуюся светимость.
Третье: сам механизм взрыва, возможно, не так однозначен, как считалось. Классическая модель предполагает аккрецию вещества с компаньона — так называемый одиночно-вырожденный сценарий. Но существует и двойно-вырожденный сценарий, при котором сталкиваются и сливаются два белых карлика. Светимость взрывов в этих двух сценариях различается, а соотношение сценариев менялось на протяжении космической истории.
Короче говоря, то, что астрономы гордо именовали «стандартными свечами», оказалось скорее «свечами с инструкцией на сорок страниц мелким шрифтом, половина которой ещё не расшифрована».
Тёмная энергия под вопросом
Ну и что с того, спросит проницательный читатель. Подумаешь, погрешность в несколько процентов. Разве это меняет общую картину?
О да, ещё как меняет.
Всё измерение ускоренного расширения Вселенной основано на сравнении близких и далёких сверхновых. Близкие — это «калибровочные» объекты, по которым устанавливается нулевая точка шкалы. Далёкие — это то, что мы пытаемся измерить. Если светимость далёких сверхновых систематически отличается от близких из-за эволюционных эффектов, вся наша космологическая модель летит в тартарары.
Представьте, что вы измеряете температуру ртутным термометром, не зная, что ртуть расширяется нелинейно при разных температурах. Ваши измерения будут последовательными и воспроизводимыми — но неправильными.
Некоторые исследователи уже высказывают крамольную мысль: а что если тёмная энергия — не фундаментальное свойство Вселенной, а артефакт некорректной калибровки стандартных свечей? Что если Вселенная расширяется вовсе не с тем ускорением, которое мы намерили, или — страшно подумать — не ускоряется вообще?
Это не маргинальная позиция сумасшедших одиночек. Это активно обсуждаемая гипотеза в рецензируемых журналах. Что, конечно, не мешает мейнстриму делать вид, что проблемы не существует.
Наука против собственных догм
Вот что действительно поражает в этой истории — не сама научная проблема, а реакция научного сообщества на неё.
Сомнения в надёжности сверхновых как стандартных свечей высказывались ещё в начале двухтысячных. Но тогда космологическое сообщество было слишком опьянено эйфорией от открытия тёмной энергии, чтобы обращать внимание на какие-то там систематические эффекты. Нобелевская премия уже маячила на горизонте, гранты текли рекой, карьеры строились на модели с тёмной энергией — кому нужны неудобные вопросы?
Сейчас, четверть века спустя, проблема стала слишком очевидной, чтобы её игнорировать. Новые обзоры неба вроде Zwicky Transient Facility и космических миссий вроде готовящегося Roman Space Telescope обещают каталоги из тысяч сверхновых с беспрецедентной точностью измерений. И эти данные всё настойчивее показывают: эволюционные эффекты реальны, существенны и недооценивались.
Но признать это официально — значит признать, что двадцать пять лет космологических исследований построены на зыбком фундаменте. Что сотни карьер и тысячи публикаций нуждаются в пересмотре. Что Нобелевскую премию, возможно, вручили за открытие, которое может оказаться частично или полностью артефактом методологической ошибки.
Понятно, почему никто не торопится бить в набат. Наука — это не только поиск истины. Это ещё и социальный институт со своими иерархиями, авторитетами и инерцией мышления.
Новая честность
Было бы несправедливо заканчивать на совсем уж пессимистической ноте. В конце концов, сам факт того, что проблема эволюции сверхновых активно обсуждается, — признак здорового функционирования науки.
Современные исследования идут по нескольким направлениям. Одни группы пытаются улучшить калибровку стандартных свечей, вводя дополнительные поправки на металличность, возраст звёздной популяции и тип родительской галактики. Другие разрабатывают альтернативные методы измерения космологических расстояний — через гравитационно-линзированные квазары, барионные акустические осцилляции или гравитационные волны от слияний нейтронных звёзд.
Последний метод особенно перспективен. Гравитационные волны несут информацию о расстоянии до источника напрямую, без промежуточных калибровок. Это по-настоящему «чистый» инструмент, независимый от капризов звёздной эволюции.
Возможно, через десять-двадцать лет мы получим независимое подтверждение — или опровержение — ускоренного расширения Вселенной. И тогда станет ясно, насколько сильно нас подвели «стандартные» свечи, которые таковыми никогда не являлись.
А пока остаётся признать очевидное: мы знаем о Вселенной значительно меньше, чем самоуверенно заявляем в пресс-релизах и научно-популярных книгах. И в этой честной неопределённости, как ни странно, больше науки, чем в любых преждевременных «окончательных» выводах. Потому что настоящая наука — это не каталог готовых истин, а вечное сомнение, вечная проверка, вечная готовность отбросить даже самые красивые теории перед лицом упрямых фактов.
Сверхновые будут взрываться независимо от наших представлений о них. Вопрос лишь в том, хватит ли нам интеллектуальной смелости признать, что мы смотрели на них сквозь кривое зеркало собственных заблуждений.