Ускоренное расширение порвет Вселенную

Ускоренное расширение порвет Вселенную


Сол Перлмуттер получил Нобелевку за открытие темной энергии. Фото: LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY

Шведская королевская академия наук присудила в этом году Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения далеких сверхновых». Половина призовых денег (750 000 долларов) досталась Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США), который возглавлял проект «Сверхновые в космологии». Вторую половину поделили члены другой научной группы — Брайан Шмидт (Brian P Schmidt) из Австралийского национального университета и Адам Рисс (Adam G Riess) из университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа (США).

В 1997–1998 годах они обнаружили, что галактики разлетаются быстрее, чем миллиарды лет назад, то есть Вселенная расширяется с ускорением. Перлмуттеру с коллегами удалось получить данные раньше, однако группа Рисса и Шмидта опередила их в публикации. Примечательно, что в разное время членом обеих групп побывал Алексей Филиппенко, известный ученый и сын русских эмигрантов. В одной из двух ключевых работ его имя значится на втором месте.

Открытие ускоренного расширения Вселенной было неожиданным, но теперь оно вошло в число важнейших фактов космологии, на которых строятся все космологические теории. Более того, эти исследования привели к предположению о существовании неведомой нам доселе сущности, природа которой неясна, — темной энергии (dark energy), антигравитации, расталкивающей все материальные тела в мире. Хотя темная энергия, согласно теории, должна составлять 74% материально-энергетического «бюджета» Вселенной (темная материя — 22% и лишь оставшиеся 4% — обычная, барионная материя), физики и астрономы до сих пор не могут определиться с первопричиной этого странного феномена. В настоящее время Сол Перлмуттер под патронажем NASA и Министерства энергетики США (DOE) занимается разработкой первой космической обсерватории, специально предназначенной для того, чтобы выяснить природу «дарк энерджи».

Разумеется, и до 1997 года было известно, что галактики разбегаются. Это показал в 1929 году Эдвин Хаббл (Edwin Hubble), обнаружив зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них. Однако бурные дискуссии шли о том, «открыта» или «закрыта» Вселенная. То есть будет ли она расширяться вечно с постепенным замедлением (в первом случае) или со временем «схлопнется», остановится в своем расширении и начнет, наоборот, сжиматься, пока не вернется в первоначальную точку. Для изучения геометрии нашего мира подходящим инструментом казались сверхновые типа Ia — так называемые стандартные свечи.

Вспышки сверхновых типа Ia связывают со взрывами белых карликов (компактных «выгоревших» звезд), на которые выпадает вещество соседней звезды. Такие взрывы происходят в случаях, когда компаньон теряет массу за счет сверхинтенсивного звездного ветра, либо при критическом сближении, когда внешние слои второй звезды выходят за пределы своей полости Роша (границы, где сравниваются силы притяжения обеих звезд) и оказываются притянуты более компактным белым карликом. Может происходить также слияние двух белых карликов, постепенно теряющих кинетическую энергию при излучении гравитационных волн. За счет подпитки извне масса белого карлика в какой-то момент может превысить так называемый предел Чандрасекара в 1,4 солнечной массы (выше которого звезда уже не может существовать в этой форме), и в его сжатом разогретом ядре запустятся разрушительные углеродно-кислородные термоядерные реакции.

Важно, что перед взрывом во всех сверхновых типа Ia возникают схожие условия, поэтому сравнима и абсолютная светимость взрывающихся белых карликов, находящихся на разных от нас расстояниях. Сверхновые наблюдаются на расстояниях в миллиарды световых лет и тем самым позволяют оценивать эти расстояния по видимому блеску (известна их светимость). Измеряя одновременно красные смещения, определяющие скорость удаления галактик, можно изучить темпы расширения Вселенной в разные моменты времени.

После сообщений от групп Перлмуттера и Рисса–Шмидта в 1998 году, согласно которым удаленные сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, что полагается при линейном законе расширения Вселенной (значит, она не просто неограниченно расширяется, а расширяется с ускорением, будто ее расталкивает что-то), проведено множество независимых измерений, которые подтвердили этот потрясающий результат. Присутствие темной энергии зафиксировал и спутник WMAP, построивший карту вариаций температуры реликтового излучения — микроволнового фона, сохранившегося с ранних этапов существования Вселенной.

Для объяснения природы темной энергии привлекают две гипотезы: либо о наличии космологической постоянной, лямбда-члена (Λ) в уравнениях общей теории относительности (введенного самим Эйнштейном, а затем отброшенного им как излишество), либо о присутствии квинтэссенции — динамического скалярного поля, плотность которого варьируется в пространстве и времени. Есть и другие альтернативы, приводящие порой к ужасающим сценариям дальнейшего развития Вселенной. Например, концепция фантомной энергии обещает нам в далеком будущем «Большой разрыв» — разъединение абсолютно всех частиц материи.

 
# Вопрос-Ответ