Глава 5 Темная энергия

Миллиарды лет прошли с эпохи Темных веков нашей Вселенной, произошло много галактических катастроф, целые галактики сталкивались и сливались. Жестокость в космическом пространстве везде, и галактики, на которые вы теперь смотрите, лишь видимая ее часть.

Темную материю, существующую в подавляющем количестве: пять к одному, нельзя увидеть, и ее все еще так много, что она, должно быть, играла – и по-прежнему играет – роль в наблюдаемом вами космическом вальсе… Вальсе, исполнителями которого, как вы знаете теперь, являются скопления звезд, обернутые в невидимые плащи из темной материи.

Чем больше вы рассматриваете все эти вращающиеся вокруг галактики, тем больше танцоров и фигур вы видите и тем больше обитаемых миров с полностью отличающимися от нашего неба небосводами вы начинаете там воображать. И вдруг вы начинаете задаваться вопросом, а что если какая-то далекая цивилизация уже нашла ответы на наши человеческие вопросы… И тут вы застываете на месте, ослепленный.

Очень мощный источник света ударил вам в глаза.

Вы вглядываетесь в ночь, определяя, откуда он появился, но он исчез.

И вновь, так же внезапно, в вас ударяет еще один сноп света, исходящий откуда-то из невообразимо далекого места.

И еще один.

Выведенный из задумчивости, вы сосредоточиваетесь на галактиках, откуда, кажется, родом эти световые сигналы.

Не зная почему, ваше сердце колотится как сумасшедшее. Вы смотрите на световые лучи, наблюдая, как галактики расходятся, продолжая кружиться вокруг друг друга.

Что-то не так.

Галактики, откуда поступает свет, расходятся не по тому пути, по которому должны.

Мы говорим здесь не об их вращении вокруг друг друга, а о расширении Вселенной, о том, как все галактики расходятся, как семена мака в поднимающемся тесте пирога. С учетом того, что вы узнали об этом расширении, галактики движутся неправильно.

Это – неожиданная гравитационная тайна номер два. И она предполагает много, гораздо больше скрытой энергии, чем темной материи.

Чтобы понять, нужно знать, как оцениваются расстояния во Вселенной.

Когда вы лежали на пляже тропического острова, как раз перед началом своего путешествия в космическое пространство, как вы могли бы определить, какая звезда на ночном небе ближе, а какая дальше? Очевидно, что одной яркости недостаточно. Звезды бывают практически всех размеров, и их фактическая светимость может сильно отличаться. Яркая звезда, если смотреть с Земли, могла бы оказаться огромной и очень далекой или же небольшой, но гораздо более близкой. Необходимо использовать какой-то другой прием, и, как исторически сложилось, ученые придумали три различных метода для оценки космических расстояний.

Первый из них касается любого объекта, будь то планета или звезда, находящегося довольно близко к нам. Он – самый простой из всех и использует здравый смысл (ничего квантового здесь нет, так что здравый смысл допускается). Представьте себе, что вы смотрите на дерево через боковое окно автомобиля, мчащегося на трассе. Близко растущие к дороге деревья быстро пролетают мимо, в то время как находящиеся дальше деревья, как кажется, движутся гораздо более медленными темпами. Горные цепи на горизонте иногда вообще застывают на месте. Их можно использовать в качестве неподвижного фона. В космосе применима та же концепция. Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, находящиеся рядом объекты обладают видимым движением, довольно очевидным на фоне очень далеких звезд, кажущихся неподвижными. Проверка того, насколько изменится положение объекта по отношению к этому фону, пока Земля обращается вокруг Солнца, позволяет ученым определить, насколько далеко в космосе расположен объект. Метод включает в себя математику, которую бы понял и Евклид 2200 лет назад. Он очень хорошо работает при оценке ближних расстояний – в пределах Млечного Пути. Но не работает при определении галактических расстояний. Галактики просто слишком далеко. Когда вы находитесь на Земле, вращающейся вокруг Солнца, ваше видение космоса может меняться на протяжении 300 миллионов километров с лета до зимы, но этого недостаточно, чтобы увидеть их в движении: галактики – все еще часть неподвижного фона. Чтобы узнать, где они, вам нужен метод номер два, который включает в себя весьма специфичный тип звезд, называемых цефеидами.

Цефеиды – очень яркие звезды, чья светимость колеблется между максимальным и минимальным уровнем интенсивности с впечатляющей регулярностью. Удивительно, но ученые выяснили способ связать этот колеблющийся период с общим количеством производимого ими излучения. И это все, что им необходимо знать, чтобы сказать, на каком они расстоянии: как звук рога затихает по мере увеличения расстояния от своего источника, то же происходит и со светом. Исследование собранных на Земле порций света, излученных далекими цефеидами, дает в итоге расстояние до них. И, скорее к счастью, цефеид много.

КОГДА ВЫ НАХОДИТЕСЬ НА ЗЕМЛЕ, ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВОКРУГ СОЛНЦА, ВАШЕ ВИДЕНИЕ КОСМОСА МОЖЕТ МЕНЯТЬСЯ НА ПРОТЯЖЕНИИ 300 МИЛЛИОНОВ КИЛОМЕТРОВ С ЛЕТА ДО ЗИМЫ.

Но этот метод тоже имеет свои пределы: для измерения наибольших расстояний во Вселенной отдельные звезды-цефеиды больше нельзя использовать, потому что даже самые мощные телескопы не могут отличить их от соседних с ними групп звезд. Для исследований отдаленных уголков Вселенной необходим третий метод.

Возможно, вы помните из второй части книги труды американского астронома Эдвина Хаббла. В 20-е годы прошлого века Хаббл стал первым человеком, наблюдавшим расходящиеся далекие галактики и расширение Вселенной. Некоторые из ваших друзей любезно подтвердили этот факт, производя наблюдения ночного неба вокруг Земли своими телескопами, приобретенными за миллиард долларов.

В 20-е годы Хаббл использовал смещение светового спектра цефеид далеких галактик для определения их скорости и выяснил, что их стремление удалиться от нас пропорционально расстоянию до них: галактика, которая в два раза дальше от нас, удаляется от нас в два раза быстрее. Этот закон теперь называется законом Хаббла.

Метод номер три включает в себя использование закона Хаббла с противоположной стороны, когда цефеиды не могут быть выделены из своего окружения. По изменению смещения спектра излучения далеких галактик ученые могут определить, какое расстояние прошел их свет в процессе расширения Вселенной. Таким образом, можно узнать, насколько далеко находится сейчас галактика.

Закон Хаббла достаточно прост и достаточно хорошо стыкуется с известными фактами: пространство и время стали тем, чем являются сейчас, несколько миллиардов лет назад, пространство-время с тех пор расширилось, и, что кажется нормальным при расширении, вызванном интенсивным выделением энергии (Большой взрыв), скорость расширения замедлилась в течение миллиардов последующих лет.

С такой довольно логичной установкой все идет замечательно.

За исключением того, что она не соответствует тому, что вы только что видели.

Вспышки света, которые уловили ваши глаза, расходятся с законом. Смещение их спектра не соответствует великолепной, красивой, целостной картине, описанной выше. Что-то идет не так, и тайна номер два где-то задерживается.

Чтобы выяснить, о чем идет речь, давайте немного прогуляемся и взглянем на то, что вызвало необычайно мощные вспышки света, ударившие вам в глаза.

Начав свой путь от Млечного Пути, вы направляетесь к особенно красивой и красочной спиральной галактике, лежащей в 8 миллиардах световых лет от него. Вы преодолеваете огромное, расширяющееся расстояние, отделяющее нашу космическую семью от этого другого островка света, и, приблизившись к нему, залетаете в него сбоку. Вы проноситесь мимо миллионов звезд, сквозь облака пыли размером в тысячи вместе взятых солнечных систем и вдруг снова останавливаетесь.

Прямо перед вами не один, а целых два сияющих объекта привлекают ваше внимание. Они очень быстро вращаются вокруг друг друга немного асимметричным образом. Один из них – гигантская злая красная звезда. Второй – тоже яркая звезда, но во много раз меньше. Размером с Землю. И белоснежная. Но не дайте ввести себя в заблуждение. Несмотря на огромную разницу в размерах, хозяйка здесь – крошечная звезда, а не красный гигант. Маленький белый шар, оставшийся от ядра звезды, взорвавшейся за несколько сотен миллионов лет до вашего прибытия. Во время гибели звезды ее внешние слои разлетелись во всех направлениях, а сердце сжалось в комок и стало тем, что теперь светится прямо перед вами. Белый карлик. Чрезвычайно плотный и горячий объект. Обычные белые карлики остывают в течение десятков миллионов лет и выбрасываются из галактик, в конце концов становясь холодными темными одинокими космическими странниками. Но этот карлик тем не менее выбрал совсем другой путь.

Чтобы дать вам представление о плотности белого карлика, давайте сделаем бейсбольный мяч из различных материалов. Обычный мяч из резины, кожи и воздуха весит около 145 граммов. Тот же самый объем, заполненный свинцом, будет представлять собой шар весом около 2,3 килограмма. Заполненный самым плотным химическим элементом, встречающимся на Земле, – осмием – мяч весит теперь уже примерно в два раза больше: около 4,5 килограмма.

Теперь заполним тот же объем материалом, составляющим белый карлик, и получим мяч весом 200 тонн. В царстве чрезвычайно плотной материи белые карлики занимают третье место. Сразу за нейтронными звездами (называемыми так, потому что они содержат только нейтроны) и черными дырами. Следовательно, внутри них, как и внутри звезд, можно было бы ожидать чрезвычайно бурных реакций ядерного синтеза, но их не происходит. Если только они не найдут способ увеличиться в размерах. По правде сказать, белые карлики остаются белыми карликами до тех пор, пока содержат менее 140 % от массы нашего Солнца.

Но у этого карлика действительно есть чем поживиться. Звездой. Красным монстром.

Этого красного гиганта съедят заживо прямо на ваших глазах.

Обессиленная гравитационным полем, вызванным сверхъестественной плотностью белого карлика, звезда обречена. Она даже не может удержать собственные внешние слои. Пока она вращается вокруг карлика, ее поверхность отрывается, образуя длинный след яркой, жгуче-горячей плазмы, которая по спирали стекает вниз к жадному партнеру по танцу, создавая сверкающую, скрученную космическую реку, извивающуюся по направлению к поверхности белого карлика, где она захватывается им и сжимается.

Здесь работают потрясающие по своему масштабу энергии. Даже само пространство-время может ощущать их: как волны, возникающие на поверхности озера из-за двух вращающихся вокруг друг друга лодок, гравитационные волны создаются танцем красного гиганта и белого карлика, вызывая пульсацию, распространяющуюся по самой ткани Вселенной, видоизменяющую пространство и время, омывающие близлежащие объекты.[55]

И пока вы смотрите на них, все больше и больше материи гигантской звезды падает в направлении поверхности белого карлика, и вы небезосновательно чувствуете, что должно произойти что-то необыкновенное. Белый карлик действительно набрал немало веса, достигнув 140 % массы Солнца, критического порога. Давление в его собственном ядре внезапно становится достаточным, чтобы вызвать новую, потрясающе бурную цепную реакцию, приводящую белого карлика к весьма примечательной гибели. В мгновение ока он взрывается. Взрыв в пять миллиардов раз ярче Солнца. Впечатляющая лебединая песня.

Такие события называются взрывами сверхновых типа Ia. Они происходят примерно раз в столетие в любой данной галактике. Они невероятно удобны для астрономов, потому что все очень похожи. Даже идентичны: они всегда возникают, когда белый карлик достигает 140 % от массы Солнца после высасывания энергии другой звезды, а следовательно, всегда светят одинаковым светом: 5 миллиардов солнц, объединенных в одно маленькое пятнышко не намного больше нашей Земли. Гораздо ярче цефеид, они – идеальные свечи, благодаря которым можно исследовать самые дальние уголки нашей Вселенной и проверить закон расширения Хаббла.

Сверхновые типа Ia настолько ярче, чем все остальное, что, в отличие от цефеид, построенные человеком телескопы могут вычленить их из далеких галактик. Зная их истинный блеск, как и в случае с цефеидами, ученые могут сделать вывод, насколько далеко они находятся и с какой скоростью расходятся от нас.

В 1998 году две независимые группы ученых, изучающих такие далекие сверхновые, опубликовали свои результаты. Одну группу возглавлял американский астрофизик Сол Перлмуттер, а другую – американские астрофизики Брайан Шмидт и Адам Рисс. Обе команды обнаружили, что около 5 миллиардов лет назад, после более 8 миллиардов лет обычного поведения, расширение Вселенной начало ускоряться.

Научное сообщество было шокировано.

Так же как будете и вы.

Мало того что такой вывод оказался неожиданным, он был радикально противоположным единственно допустимому результату.

В больших масштабах всем управляет общая теория относительности Эйнштейна, а теория гравитации Эйнштейна, как и закон всемирного тяготения Ньютона, допускает только притяжение объектов друг к другу. Следовательно, что бы ни заполняло Вселенную: материя, антиматерия или темная материя, – оно должно в конечном счете замедлять любое расширение. Не ускорять его.

Однако наблюдения Перлмуттера, Рисса и Шмидта говорили об обратном, и единственный возможный выход из такого противоречия – найти что-то абсолютно новое для объяснения такого ускорения. И это что-то должно было заполнять всю Вселенную. И ему требовалось обладать исключительным свойством: действовать как антигравитационная сила, отталкивая материю и энергию вместо того, чтобы притягивать их.

По какой-то неизвестной причине эта новая сила пересилила все другие крупномасштабные силы во Вселенной около пяти миллиардов лет назад. До этого ее влияние было равно нулю.

Эта весьма озадачивающая энергия была названа темной энергией, и, как ни странно, в результате расчета ее наблюдаемых эффектов, ее должно быть очень много.

По последним оценкам, огромное количество, собственно говоря.

В три раза больше, чем темной материи.

В пятнадцать раз больше, чем составляющей нас обычной материи.

За результат своего открытия, а именно что расширение Вселенной скорее ускоряется, чем замедляется, Перлмуттер, Шмидт и Рисс были удостоены в 2011 году Нобелевской премии по физике, а все энергетическое содержание Вселенной пришлось полностью пересчитать. Сегодня, по оценкам спутников НАСА, Вселенная состоит из следующего.

Темная энергия: 72 %.

Темная материя: 23 %.

Известная нам материя (включая свет): 4,6 %.[56]

Все, что вы видели до сих пор во время всех путешествий, соответствует лишь 4,6 % общего содержания Вселенной.

Остаток неизвестен.

Однако, в отличие от темной материи, существование некой формы темной энергии допускалось в прошлом. Около ста лет назад. Самим Эйнштейном. Он даже называл ее своей «самой большой оплошностью», хотя сегодня кажется, что его оплошностью было как раз таки назвать ее оплошностью.

Возможно, из второй части вы помните, что Эйнштейну не нравилась идея о меняющейся, развивающейся Вселенной. Он предпочитал думать, что время и пространство были, есть и всегда будут существовать в том же виде, в каком он и ощущал их на собственном опыте. К сожалению, его общая теория относительности в своей простейшей форме утверждает обратное. Она гласит, что пространство-время может меняться и меняется. Чтобы допустить возможность Вселенной не эволюционировать, он рассчитал, что может каким-то образом изменить свои уравнения, введя в них новый, единственно допустимый дополнительный член. В то время это был смелый жест: уравнения Эйнштейна подразумевали (и до сих пор подразумевают), что локальное энергетическое содержание Вселенной полностью эквивалентно ее локальной геометрии, так что если один из двух членов может измениться, то другой тоже. Добавление куда-то в уравнение новой формы энергии, следовательно, меняло форму и динамику Вселенной. Под энергией Эйнштейн подразумевал все, что обладает гравитационным эффектом, что теперь включает в себя материю, свет, антиматерию, темную материю и все остальное, носящее обычный, достаточный, притягивающий гравитационный характер.

Но добавленный Эйнштейном член мог носить и тот и другой характер (притягивающий или отталкивающий), в зависимости от его математического значения. В физическом смысле он соответствовал энергии, действительно заполняющей всю Вселенную. Он назвал его космологической постоянной.

Благодаря ей Вселенная могла быть статичной и послушной, подчиняясь его философским взглядам.

Успокоенный, Эйнштейн мог снова спать по ночам.

Однако примерно десять лет спустя работа Хаббла превратила расширение Вселенной в доказанный факт. Статичной Вселенной больше не существовало. Так что Эйнштейн вычеркнул свою космологическую постоянную и назвал ее ввод в уравнение своей самой большой оплошностью.

Теперь, сто лет спустя, кажется достаточно ироничным, что то, что он стер на бумаге, могло стать для теоретиков столь необходимым инструментом, требующимся для объяснения самой великой неразгаданной тайны человечества: темной энергии, управляющей ускорением расширения Вселенной. Космологическая константа может сделать Вселенную полной противоположностью статичной, претерпевающей ускоренное расширение Вселенной. Она может решить головоломку про темную энергию. Единственной проблемой в этом случае будет выяснение ее собственного источника. Мы еще вернемся к этому в седьмой части.

А пока что мне бы очень хотелось, чтобы все могли допускать такие оплошности, как у Эйнштейна.

Чем бы ни оказалась темная энергия, идея о ней уже изменила наше видение космологии. До открытия Перлмуттера, Рисса и Шмидта для Вселенной виделось два возможных варианта будущего, в зависимости от ее итогового содержимого. В первом случае слишком большое количество материи и ее расширение обречены на каком-то этапе смениться своей противоположностью, и тогда гравитация пересилит все прочее, как если бы слишком сильная, прикрепленная ко всему пружина теперь разжалась. При таком сценарии вся Вселенная сожмется, и все закончится тем, что называется Большим сжатием. Это как Большой взрыв наоборот, ускоряющийся со временем и не перематываемый назад.

Второй вариант заключается в том, что материи или энергии будет недостаточно, чтобы удержать все от разбегания. Присутствие темной энергии у Перлмуттера, Рисса и Шмидта говорит о том, что это – наиболее вероятное будущее. Если только в один прекрасный день в наши телескопы не попадет еще какой-нибудь сюрприз, то есть шансы, что антигравитационное поле обеспечит вечное расширение, что приведет к будущему Большому замерзанию. Согласен, оба прогноза (Большое сжатие и Большое замерзание) представляют собой довольно мрачные перспективы. Но, как вы увидите в следующей и последней части, такое замерзание может быть вообще не концом.

Повторюсь еще раз, также возможно, что теория Эйнштейна просто не применима для таких огромных масштабов. В таком случае нам нельзя использовать его уравнения, чтобы сделать вывод о существовании темной энергии. Подобно тому как теории Ньютона, опробованные рядом с большой звездой, привели к вычислению ошибочных орбит, уравнения Эйнштейна вполне могли бы отдалиться от реальности на каком-то этапе. Однако по состоянию на сегодняшний день, скорее всего, темная энергия реальна, и даже существует вероятность, что она имеет квантовую природу. Весьма захватывающая перспектива для всех тех ученых, кто хотел бы связать микромир с мегамиром.

В любом случае, чем бы они ни являлись, темная материя и темная энергия весьма важны. Закон всемирного тяготения Ньютона помог нам обнаружить новые планеты вокруг Солнца. Гравитационная теория Эйнштейна привела нас к тайнам намного серьезнее, настолько серьезнее, что они могут содержать подсказки или ключи, открывающие двери в неизвестные миры нашей крупномасштабной реальности.

При необходимой скромности такие открытия оказывают сильное впечатление, и теперь настало время понять, почему общая теория относительности не может быть теорией всего и почему она предсказывает собственный закат.