Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Рассказывая о реликтовом излучении, я упомянул, что это, вероятно, наш важнейший источник знаний о Вселенной. И вот теперь перед нами начинают вырисовываться очертания картины, которую мы видим благодаря реликтовому излучению. Сначала оно показало нам Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва. Затем мы увидели, что высота различных пиков на рисунке на странице 105 говорит нам, сколько темной материи находится во Вселенной. И теперь мы знаем, что положение первого пика говорит о том, что Вселенная плоская и, следовательно, в ней содержится намного больше, чем обнаруженные нами обычная и темная материи.

Волны в миллионах галактик

Преимущество сверхновых заключается в том, что они позволяют нам понять, с какой скоростью расширялась Вселенная на протяжении истории. Недостаток же этих взрывающихся звезд — это множество связанных с ними неопределенностей. Я уже перечислял некоторые из них. Например, можем ли мы быть абсолютно уверены, что сверхновые — действительно стандартные свечи? Вспышки сверхновых зависят еще и от измерений дошедшего до нас света. Но ведь часть света спокойно могла затеряться по дороге. Достоверны ли наши представления о том, какое количество света могут задержать пыль и газ во время путешествия от далеких сверхновых?

Хорошо бы обзавестись альтернативой сверхновым, тоже показывающим, насколько быстро Вселенная расширялась в разное время, но не обремененным такими неопределенностями, как наши стандартные свечи. Один из вариантов — наблюдать за галактиками. За множеством галактик. Наша задача — составить карту их группировок, ведь у этих скоплений есть размер углового диаметра, который можно сравнить с линейкой.

Принцип стандартных свечей я объяснял на примере расположенных вдоль дороги факелов. Измерив дошедший от факелов свет, можно определить расстояние до них. Представьте, что вместо факелов стоят дорожные столбики одинаковой высоты. Мы можем измерить, насколько высоким выглядит отдаленный столбик, то есть насколько велик угол между его верхом и низом. Эту манипуляцию можно использовать для расчета расстояния до этого столбика. Таким образом, столбики становятся стандартной линейкой.

Чтобы найти стандартную космическую линейку, нам придется снова вспомнить о реликтовом излучении: между его пятнами и сегодняшним расположением галактик существует определенная связь. Еще раз взгляните на рисунок на странице 105: на нем мы видим пятна различных размеров. Пятна, как мы уже несколько раз упоминали, представляют собой зародыши структур, сформировавшихся во Вселенной позже. Плотные сгустки сжимались, образуя галактики и скопления галактик. Волновая карта реликтового излучения отражается в распределении галактик по небу. Это излучение достаточно хорошо картографировано и изучено. Расстояние между волнами на рисунке становится значением углового диаметра — известной мерой расстояния. Это похоже на огромную космическую линейку. В сегодняшней Вселенной она соответствует длине почти в 500 миллионов световых лет.

Таким образом, распределение галактик можно использовать как космические дорожные столбики. Измерим красное смещение и положение множества галактик, а затем посмотрим на галактики с одинаковым красным смещением. Изучив, каким образом эти галактики группируются, мы сможем распознать тот же волновой узор, который видели в реликтовом излучении. Следовательно, у нас есть стандартная линейка и ее можно использовать для определения расстояния. В результате получается ситуация, как со сверхновыми: у нас есть взаимосвязь между расстоянием и красным смещением. 1лядя на галактики со множеством разных красных смещений, мы можем построить временную шкалу скорости расширения Вселенной в разные периоды.

Сложность в том, что эти волны трудно измерить. Требуются точные наблюдения за очень многими галактиками. Таким образом, стандартная галактическая линейка не была открыта до 2005 года. В то время в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (Слоуновский цифровой обзор неба) была проанализирована выборка из почти 50 000 галактик, и в итоге ученым удалось распознать их волновую структуру. Позже волны наблюдались и в других проектах, так что космическая сверхлинейка была нанесена на карту с завидной точностью. Пока что наблюдения очень хорошо согласуются с измерениями сверхновых. Угловое расстояние и сверхновые помогают нам измерить примерно одно и то же, но методы и возможные ошибки в корне различаются. Похоже, темная энергия никуда уходить не собирается.

Исчезновение космических склонов

Есть еще один эффект, который мне бы хотелось упомянуть. Во-первых, он кажется мне забавным. А во-вторых, он показывает следы темной энергии не так, как сверхновые и стандартная линейка. Впоследствии он даже получил довольно звучное название — эффект Сакса — Вульфа.

Представьте, что быстро несетесь на лыжах. Вы резко отталкиваетесь, поэтому, скользя по лыжне, практически не теряете скорость. Посреди лыжни течет ручей. Перед тем, как пересечь ручей, лыжня резко опускается на несколько метров вниз. По другую сторону ручья она снова поднимается. Вы окажетесь на той же высоте, что и до перехода через ручей. Как будет меняться ваша скорость? По пути вниз к ручью скорость увеличится, и у вас будет максимальная скорость, когда вы пересечете ручей в нижней точке долины. На пути вверх вы потеряете скорость. Если у вас идеальное скольжение, то скорость, с которой вы закончите переход долины, будет такой же, как и до того, как вы подошли к ней.

А теперь заменим лыжника на фотон, световую волну, которая скользит по Вселенной. Наш фотон от реликтового излучения летит к Земле. Как и лыжник, фотоны могут наталкиваться на неровности и склоны на своем пути. Как мы помним, фотоны подвластны гравитации. Когда фотон движется в том же направлении, что и сила тяжести, он, следовательно, будет катиться под гору. Скорость света всегда одинакова, но энергия у фотона будет возрастать. Более высокая энергия соответствует более коротким длинам волн, то есть синему смещению. Соответственно, если фотон движется навстречу силе тяжести, он потеряет энергию, что приведет к красному смещению.

Факт влияния гравитации на световые волны доказан экспериментально. Впервые эффект изучили в знаменитом эксперименте Паунда и Ребки в 1959 году. В ходе него гамма-фотоны отправляли вниз с башни высотой 22,5 метра. Когда фотоны достигали нижней части башни, длина волны уменьшалась.

Во Вселенной этот эффект возникает, когда фотоны проходят сквозь обширные области, где плотность галактик больше, так называемые сверхскопления, то есть скопления скоплений галактик. При движении к центру сверхскопления фотон получит больше энергии и испытает синее смещение. А когда приходит время удаляться, на смену приходит красное смещение. Во Вселенной без темной энергии «подъем в гору» уравновесил бы «спуск». В этом случае длина волны фотона, вошедшего в сверхскопление, не изменится к моменту его выхода. Ситуация точь- в-точь как с быстро скользящим лыжником: после того, как он минует долину с небольшим ручьем, скорость станет прежней.

Но что происходит во Вселенной, в которой темная энергия все же существует? Сверхскопления, как правило, обладают протяженностью в несколько сотен миллионов световых лет, а потому фотону потребуется несколько сотен миллионов лет, чтобы пройти их. За это время произойдет синее смещение. Но по мере движения фотона темная энергия будет отталкивать друг от друга скопления галактик в сверхскоплении. Подъем фотона в гору, таким образом, отнимет у него меньше энергии, чем дал спуск. В результате у фотона, покидающего сверхскопление галактик, частично сохранится синее смещение. И снова проведем аналогию с ручьем в долине: это как если бы под землей сидел тролль и поднимал лыжную трассу вверх, пока человек находится в нижней точке. Тогда подъем будет короче, чем спуск, и скорость после пересечения долины увеличится.