Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Хоть исследования и проводил Хаббл, вовсе не ему на ум пришла новаторская и правильная интерпретация данных. А додумался до этого бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр.

(До Леметра это сделал российский ученый А. А. Фридман, опубликовавший в 1922 г. в ведущем европейском журнале «Zeitschrift fur Physik» нестационарные решения уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную. Редактор.)

Еще в 1927 году, за два года до статьи Хаббла, он сформулировал модель Вселенной, которая объясняла наблюдения американского коллеги. К сожалению, работу Леметра опубликовали в небольшом бельгийском научном журнале, а международную известность она получила лишь в 1931 году, после перевода на английский. Для создания модели Вселенной, способной расширяться или сжиматься, Леметр прибег к теории относительности Эйнштейна. Он также показал, что в такой модели расширение приведет к красному смещению света в отдаленных галактиках. Почему?

Когда я рассказывал о реликтовом излучении, мы поняли, что световые волны будут растягиваться и становиться длиннее по мере движения сквозь расширяющуюся Вселенную, прямо как нарисованная на надувающемся воздушном шаре линия. Во Вселенной этот эффект особенно хорошо заметен на отдаленных галактиках. Свет из таких галактик прошел долгий и нелегкий путь. Проходя через постоянно растущую Вселенную, световые волны растягиваются и становятся длиннее. Получаем красное смещение. Такой тип красного смещения называется космологическим (метагалактическим). Чем-то напоминает эффект Доплера, хотя он возникает по совершенно иной причине.

Во время наблюдения красного смещения трудно сказать наверняка, насколько оно обусловлено эффектом Доплера, а насколько — расширением Вселенной. На малых расстояниях, например между ближайшими галактиками и скоплениями галактик, эффект Доплера может быть больше космологического красного смещения. Но по мере увеличения расстояния космологическое красное смещение начинает преобладать, поскольку оно увеличивается с расстоянием, в отличие от эффекта Доплера. Хаббл открыл космологическое красное смещение, так как ему первому удалось провести точные наблюдения за спектрами наиболее далеких галактик.

Наблюдения Хаббла свидетельствуют о расширении Вселенной. А если Вселенная расширяется, то все, что мы видим вокруг себя, в прошлом было ближе друг к другу. Если отмотать время подальше назад, то мы увидим, что все располагалось друг к другу так близко, что ближе просто не придумаешь. Теория Л еметра и наблюдения Хаббла не только свидетельствовали о расширяющейся Вселенной — они еще и рассказали о Большом взрыве.

Астрономическое сообщество не сразу приняло идею Большого взрыва. Возможно, на это повлиял тот факт, что теорию выдвинул священник и в глазах многих концепция была уж слишком похожа на библейское сотворение мира. Но были и более обоснованные возражения. Например, измерения Хаббла показали, что Большой взрыв произошел около миллиарда лет назад, что намного меньше предполагаемого возраста современной Вселенной. Да и вообще, уже тогда считалось, что Земля сформировалась более миллиарда лет назад. Как-то подозрительно: планета старше Вселенной. Но, как мы уже убедились на примере измерений Фрица Цвикки, ранние измерения расстояний имели значительные погрешности, потому что цефеиды были недостаточно хорошо изучены. Таким образом, используя неправильные данные о светимости цефеид, Хаббл и Леметр получили неправильное значение скорости расширения Вселенной. Позже все встало на свои места и возраст расширяющейся Вселенной перестал вызывать подозрения в сравнении с возрастом Земли. Но до открытия реликтового излучения в 1964 году астрономическое сообщество весьма холодно принимало теорию Большого взрыва.

Изменение скорости расширения

Одно дело — определить скорость расширения Вселенной. И другое — выяснить, всегда ли она была такой.

Представьте, что вы подбрасываете камень. Сначала его скорость будет стремительно увеличиваться, но потом сила притяжения Земли заставит камень замедлиться. Примерно так и ведет себя Вселенная, где существует исключительно «притягивающая» гравитация. Сначала Вселенная будет крайне быстро расширяться, а затем гравитационные силы замедлят процесс. Расширение будет происходить все медленнее и медленнее. Однако с отталкивающей гравитацией мы получим обратный эффект. Если вы бросите в воздух камень, взаимодействующий с отталкивающей гравитацией, его скорость увеличится. Точно так же отталкивающие силы гравитации заставят Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Именно ускоренное расширение пространства является главным указателем на темную энергию.

Плохие новости для материальной Вселенной

Вплоть до середины 1990-х годов считалось, будто существует только «притягивающая» гравитация. Тогда самой основной задачей было определить количество материи во Вселенной. Если бы оказалось, что материи много, то гравитация бы рано или поздно сильно замедлила расширение, а в конечном итоге вообще заставила бы Вселенную сжиматься. Получился бы так называемый «Большой хлопок» (Big Crunch) — как Большой взрыв, только наоборот. А если бы оказалось, что материи мало, силы притяжения не смогли бы остановить расширение. По мере роста Вселенной расширение бы замедлялось. Но в то же время вещество, создающее притягивающую гравитацию, будет распространяться по постоянно возрастающему объему и торможение не сможет остановить расширение. Вселенная будет расширяться вечно. Вопрос о судьбе Вселенной стал одним из важнейших.

И хотя отталкивающая гравитация в стандартной картине Вселенной до этого отсутствовала, все больше людей задавались вопросом существования определенных отталкивающих сил.

С возрастом Вселенной тоже не все так гладко. Давайте снова представим подброшенный вверх камень. Только на этот раз вы его не трогали, а просто наблюдаете из окна, как камень пролетает мимо. Предположим, вы решили измерить скорость и вышло 10 км/ч. Эта скорость понадобится, чтобы вычислить, сколько времени прошло с того момента, как камень подбросили. Если предположить, что на камень действует притягивающая гравитация, то это будет означать, что до того, как он достиг окна, скорость превышала 10 км/ч. А если отталкивающая, то камень должен был двигаться медленнее 10 км/ч до встречи с окном. Если считать, что на камень действовала отталкивающая гравитация, то лететь он должен был гораздо дольше, чем под действием обычной. А виной тому более низкая скорость.

Аналогия со Вселенной очевидна. Хаббл и его последователи измерили скорость расширения сегодня. Если мы предположим, что во Вселенной есть отталкивающая гравитация, то раньше она расширялась бы медленнее. Таким образом, время, прошедшее с момента Большого взрыва, будет больше, чем если бы Вселенная подвергалась воздействию только обычной гравитации.

В начале 90-х ученые столкнулись еще с одной проблемой: казалось, будто некоторые из самых древних звезд старше самой Вселенной. Отталкивающая гравитация позволила разобраться с этим парадоксом. Ведь так возраст Вселенной увеличится, а парадокс исчезнет.

Тем временем другие астрономы изучали общую картину крупномасштабных структур во Вселенной. Они каталогизировали местоположения нескольких миллионов галактик. Впоследствии их можно было использовать как карту распределения вещества. Результаты можно сравнить с нашими теоретическими расчетами о распределении галактик, если бы на эволюцию Вселенной влияла только обычная гравитация. Теория и наблюдения не совпадали. В короткой статье, написанной Джорджем Эфстатиу в соавторстве с другими учеными и опубликованной в престижном научном журнале Nature в 1990 году, утверждается, что наблюдения лучше соответствуют теоретическим расчетам, если считать, что бблыпую часть Вселенной на сегодняшний день составляет темная энергия. Имеются и другие результаты исследований, указывающие в том же направлении.