Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Прекрасным примером является Большой обзорный телескоп (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), недавно переименованный в обсерваторию имени Веры Рубин (VRO, Vera C. Rubin Observatory). Этому телескопу размером 8,4 метра, расположенному в горах Чили, предстоит сфотографировать несколько миллионов сверхновых и 10 миллиардов галактик, производя съемку южного неба каждые несколько дней. Такая повторная съемка отлично подходит для исследований сверхновых, поскольку позволяет нам наблюдать за увеличением и уменьшением их яркости на протяжении нескольких дней, пока виден взрыв. Однако этот метод исследования отлично подходит и для изучения удаленных галактик, которые невозможно рассмотреть другими способами, поскольку позволяет накладывать друг на друга снимки, сделанные в разное время.

(В качестве отступления. Недавно я посетила конференцию на тему «Планетарная оборона», где докладчики обсуждали методы наблюдений, позволяющие обнаруживать потенциально опасные астероиды, которые могут столкнуться с нашей хрупкой маленькой планетой. Благодаря телескопу VRO мы сможем значительно раньше замечать такие объекты, по крайней мере в южном небе, а значит, у нас будет больше шансов их остановить. Меня очень радует мысль, что попытки понять темную энергию, которая грозит Вселенной гибелью, могут помочь нам спасти мир в краткосрочной перспективе.)

В каких бы целях ни использовался телескоп VRO, его значение для космологии невозможно переоценить хотя бы потому, что предоставленный им огромный массив качественных данных повышает вероятность того, что мы найдем что-то новое и удивительное. По словам Пейрис, VRO способен изменить правила игры. «Теперь мы видим Вселенную не так, как прежде, – сказала она. – А каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную иначе, мы узнаем что-то новое».

VRO – это далеко не единственная многообещающая программа наблюдений. В настоящее время появляется множество новых телескопов и способов съемки, и каждый способен показать нам космос таким, каким мы его еще не видели. К наиболее перспективным относится класс новых космических телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST, James Webb Space Telescope), телескоп «Евклид» (Euclid) и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST, Wide Field Infrared Survey Telescope), которые будут делать снимки глубокого космоса в инфракрасном диапазоне, позволяя нам увидеть галактики, находящиеся от нас так далеко, что весь их свет сместился из видимой в инфракрасную область спектра.

Даже обсерватории, изучающие реликтовое излучение, подключились к исследованию темной энергии. В главе 2 мы говорили о том, что изучение реликтового излучения может рассказать нам о ранней Вселенной и происхождении структуры космоса. В то время, когда был испущен свет реликтового излучения, темная энергия не играла во Вселенной никакой роли, ее эффект полностью компенсировался экстремальной плотностью вещества и излучения. Поэтому вас может удивить тот факт, что наблюдение реликтового излучения можно использовать, чтобы получить представление о текущем поведении темной энергии. Хитрость в том, что вся космическая структура, которую мы стремимся изучить, – все галактики и их скопления – находится между нами и реликтовым излучением, и каждый из этих объектов своей гравитацией слегка искривляет пространство, в котором находится.

Представьте, что у вас есть снимок пруда с чистой водой, сквозь которую видна галька на дне. Даже если вам неизвестно точное расположение и форма каждого камешка, вы, вероятно, сможете заметить разницу между спокойной и подернутой рябью водой, сравнив искаженный вид камешков с имеющимся у вас представлением о том, как они должны выглядеть. Подобным же образом мы можем, по крайней мере, в статистическом смысле, выявить небольшие вызванные веществом искажения в свете реликтового излучения. Так называемое линзирование реликтового излучения представляет собой фантастический инструмент для изучения процесса роста космической структуры. Мы надеемся усовершенствовать данный метод с помощью новых обсерваторий, предназначенных для исследования КМФИ, однако мы уже использовали эффект линзирования для составления карты распределения всей темной материи в наблюдаемой Вселенной. Разумеется, эта карта имеет очень низкое разрешение и напоминает размытую карту мира, воспроизведенную по памяти с помощью отпечатков пальцев, тем не менее тот факт, что мы вообще способны сделать что-то подобное, весьма впечатляет.

Рене Гложек, космолог из университета Торонто, использует карты реликтового излучения и галактик для лучшего понимания нашей космологической модели, в частности, темной энергии и конечной судьбы Вселенной. Она отмечает, что комбинирование наборов данных, собранных телескопами вроде VRO, и новыми обсерваториями, изучающими КМФИ, позволит добиваться все более значительных результатов по мере расширения этих наборов. Используя технику под названием «взаимная корреляция», мы можем сравнить данные о положении объектов из каталогов галактик с полномасштабной картой распределения вещества, составленной на основе эффекта линзирования реликтового излучения. Это позволит нам получить более точные результаты и уменьшит вероятность того, что мы упустим какие-либо отклонения от модели Лямбда-CDM. По словам Гложек, альтернативные теории, использующие изменения в гравитации для имитации эффектов темной энергии, в объединенных наборах данных будут выглядеть совсем иначе. «Я думаю, спрятаться им будет просто негде».

Что еще интересного можно увидеть, располагая изображениями миллиардов галактик? Во-первых, можно наблюдать эффект сильного гравитационного линзирования, который заключается в том, что галактика (или скопление галактик) так сильно искажает окружающее пространство, что свет от объекта, находящегося непосредственно за ней, расщепляется на несколько изображений или распространяется в виде огибающей галактику дуги.

Представьте, что вы смотрите на свечу сквозь изогнутое стекло в основании пустого бокала. При этом вы увидите пламя в виде дуги или круга. В случае гравитационной линзы отдельные изображения формируются вследствие искривления траекторий разных лучей света. Это означает, что, если в линзируемой галактике вспыхнет сверхновая, на каком-то изображении она появится раньше, чем на другом, поскольку свет, формирующий второе изображение, добирается до нас по более длинному пути.

Помимо того, что с помощью этого трюка вы можете произвести впечатление[81], подобные задержки во времени предоставляют новый способ измерения скорости расширения Вселенной, поскольку при вычислении таких огромных расстояний данный параметр становится очень важным фактором. А мы отчаянно нуждаемся в новых способах измерения скорости расширения пространства, поскольку наши нынешние методы дают слишком разные результаты.

Как вы помните из главы 5, при измерении скорости расширения (также известной как постоянная Хаббла) с использованием сверхновых мы получаем одно число, а при измерении с помощью реликтового излучения – другое. Результаты альтернативных измерений, склоняющиеся в ту или иную сторону, не помогли разрешить это противоречие. (Недавно мы получили некую среднюю величину, которая, к сожалению, не согласуется ни с одним из значений.) Измерение задержки, вызванной гравитационным линзированием, может помочь в решении этой проблемы, поскольку благодаря телескопу VRO количество систем, которые мы можем для этого использовать, увеличится с нескольких единиц до сотен. Результаты измерения гравитационных волн с помощью таких инструментов, как LIGO (см. главу 7), также будут нелишними, а в течение следующего десятилетия они могут достичь уровня точности, необходимого для окончательного разрешения данного вопроса.