Спасибо, что вы с нами!

Тенета констант

Почему астрофизики никак не могут просчитать судьбу Вселенной

Последние наблюдения за реликтовым излучением — «эхом» Большого взрыва — и сверхновыми в самых далеких от Земли галактиках заставляют все большее число ученых сомневаться в том, верны ли современные космологические теории. Новые данные группы Адама Рисса, открывшего когда-то темную энергию, вновь сподвигают исследователей Вселенной на то, чтобы ломать копья в спорах. Научный журналист Александр Телишев рассказывает о том, что стало яблоком раздора среди астрофизиков на этот раз.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Корни этих споров уходят далеко в прошлое, во времена, когда Эйнштейн только начал разрабатывать общую теорию относительности, краеугольный камень современной физической картины мира.

Хаббл против Эйнштейна

Изображение: Анатолий Лапушко / chrdk

В те времена Вселенная считалась неизменной и вечной. У нее были четкие границы, которые никогда не менялись. Когда Эйнштейн вывел первые формулы уравнения гравитационного поля для теории относительности и попытался с опорой на них просчитать свойства Вселенной, его ждало разочарование. Расчеты показывали, что пространственно конечная Вселенная должна плавно уменьшаться в размерах под действием гравитации, сжимаясь в точку. Подобный исход событий не понравился великому физику, поскольку противоречил фундаментальным убеждениям о природе того времени, и он исправил свои уравнения, внеся в них константу, космологическую постоянную, которая удерживала на своих плечах (Эйнштейн обозначил свою константу, как заглавную лямбду, «Λ») описываемую уравнениями Вселенную от коллапса.

Другая версия уравнений Эйнштейна, свободная от фундаментальных убеждений ее автора, была выведена советским математиком Александром Фридманом в 1922 году. Фридман допустил бесконечность мироздания — получившаяся в результате Вселенная уже не сжималась, а постоянно расширялась и не нуждалась в защите, предоставляемой «лямбдой».

А в 20-е годы астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за далекими галактиками в самый мощный телескоп того времени, получил прямые эмпирические свидетельства тому, что Вселенная не только не стоит на месте, но и расширяется. Хаббл смог оценить скорость этого расширения — она оказалась близка к 500 км/c/мегапарсек. Сегодня скорость удаления той или иной галактики можно быстро рассчитать, умножив дистанцию до нее на H0 — постоянную Хаббла.

Открытие Хаббла вынудило Эйнштейна назвать космологическую постоянную «главной ошибкой моей жизни» (если, конечно, верить свидетельству Георгия Гамова) и приравнять «лямбду» к нулю. Так мы начали жить во Вселенной Фридмана, бесконечной и расширяющейся.

Но спустя еще некоторое время оказалось, что Эйнштейн ошибся, заявив, что он ошибся.

«Хаббл» против «Планка»

Изображение: Анатолий Лапушко / chrdk

В конце 90-х годов астрофизики, наблюдая за сверхновыми типа Ia, заметили, что у особо далеких из них светимость на 10—15% ниже той, что предсказывают расчеты. Это значит, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, как посчитал Хаббл, а делает это все быстрее и быстрее. Двигателем этого ускорения, как сегодня считают космологи, является т.н. темная энергия — особое свойство пространства, действующее на материю как своеобразная антигравитация. Иными словами, именно на ее эффект мог бы ссылаться Эйнштейн, обосновывая необходимость ввести в свои уравнения «лямбду». За это открытие Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт получили в 2011 году Нобелевскую премию.

Теперь среди космологов идут ожесточенные дебаты о том, когда именно началось вызванное ей ускорение, меняла ли темная энергия свои свойства в прошлом и будет ли она меняться в будущем. Дело в том, что Вселенная, как показывают наблюдения за очень далекими сверхновыми, начала расширяться далеко не сразу.

Как считают сегодня многие ученые, в первые 4−5 миллиардов лет существования Вселенной темпы ее расширения отличались от нынешних. А вот потом в процесс «включилась» темная энергия — и мироздание начало все более скорыми темпами расширяться.

Изображение: NASA & ESA

За последние два года ситуация усложнилась — из-за открытий, связанных с двумя возможными способами вычисления космологической постоянной и ее «младшего брата» — параметра Хаббла, фактической скорости расширения Вселенной.

В июне прошлого года Адам Рисс и его коллеги определили нынешнюю скорость расширения Вселенной. Их расчеты опирались на данные наблюдений за переменными звездами-цефеидами в соседних галактиках при помощи телескопа «Хаббл».

Результаты наблюдений оказались крайне неожиданными: оказалось, что две галактики или два других объекта на расстоянии мегапарсека друг от друга (примерно три миллиона световых лет) разлетаются сейчас со скоростью примерно в 73 километра в секунду.

Это значение постоянной Хаббла выше, чем показывают данные, полученные при помощи орбитальных телескопов WMAP и «Планк». Если верить этим инструментам, то нынешняя скорость расширения Вселенной — 68−69 километров в секунду на мегапарсек. А данные Рисса невозможно объяснить при помощи имеющихся у нас представлений о природе темной энергии и механизме рождения Вселенной.

Расхождение в «свидетельских показаниях» можно объяснить как минимум двояко: или какие-то результаты наблюдений являются ошибочными, или же свойства темной энергии и манера расширения Вселенной заметно поменялась за последние семь миллиардов лет.

Космологические войны

Произошедшее вызвало яростное неприятие у ряда космологов: дошло до того, что весной этого года на страницах научных журналов и научно-популярных изданий вспыхнула небольшая «война».

Первые ученые считают, что значения постоянной Хаббла, вычисленные по стандартным свечам: цефеидам (по ним ориентировался еще Хаббл) и сверхновым (за ними наблюдал Рисс) — просто не являются достаточно точными для того, чтобы их можно было сравнивать с результатами наблюдений на WMAP и «Планке», которые наблюдают Вселенную в микроволновом спектре. Вторые же, наоборот, считают, что выводы из данных наблюдений за реликтовым излучением основываются на слишком большом числе теоретических предположений, которых немало в современной космологии. В то время как интерпретация Рисса и его единомышленников отталкивается от фактических астрономических наблюдений в оптическом диапазоне. Кто же прав — «астрономы» или «космологи»?

Не заинтересованные же лично в победе той или иной партии исследователи предпочитают говорить о том, что для получения действительно точных значений скорости расширения Вселенной необходимо дождаться окончания сбора данных, полученных инструментом Gaia, способного очень точно вычислять положение звезд — в том числе и цефеид — и запуска телескопа «Джеймс Уэбб», которому передаст вахту «Хаббл». Полные данные команда «Гайи» опубликует в 2022 году (хотя Рисс, сверившись с неполным датасетом обсерватории, утверждает, что они подтверждают его позицию); пуск «Уэбба» намечен на весну 2019-го.

Художественное представление аппарата Gaia. Изображение: ESA/ATG medialab; фон: ESO/S. Brunier

«Я уверен в том, что данные с „Планка“ являются верными и что расхождений в измерениях не должно быть. Всегда, когда речь идет о космологических наблюдениях, мы должны использовать все небо, а не только некоторые его регионы, иначе нашим замерам будет мешать селекционный эффект (то, что мы видим только самые яркие источники) и другие вещи, такие как локальное движение», — говорит Олег Верходанов, космолог из Специальной астрофизической обсерватории РАН в Нижнем Архызе.

По его словам, крупнейший оптический обзор неба, SDSS, и связанный с ним проект BOSS получили аналогичные значения постоянной Хаббла, что и телескоп «Планк». Как считает Верходанов, совпадения результатов этих проектов, работающих в совершенно разных диапазонах волн, полностью объясняют то, как возникли расхождения, зафиксированные Риссом, и что никакой проблемы на самом деле не существует.

Сам же Рисс и его коллеги считают, что их замеры подтвердятся, и предполагают, что на самом деле существуют не два, а три типа «темных субстанций» — уже знакомые нам темная энергия и материя, а также «темное излучение» (dark radiation), тормозившее расширение Вселенной на первых этапах ее жизни.

Как надеются все участники этой «космической войны», новые спутники и телескопы помогут понять, кто в ней победит, уже в ближайшие годы и вплотную подобраться к вычислению точных значений и постоянной Хаббла, и «лямбды» Эйнштейна.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы