Главный космический вопрос: как быстро расширяется Вселенная?

Новые наблюдения далеких галактик обострили спор, который ученые называют «напряжением Хаббла».

11.11.2024, Джоэл Ахенбах, The Washington Post

Новые наблюдения далеких галактик могут перевернуть общепринятое представление о расширении Вселенной. Credit video: NASA’s Goddard Space Flight Center

Вселенная расширяется. Но насколько быстро? Почему это происходит? И какова будет конечная судьба вселенной?

Это большие, буквально космические вопросы, и астрономы продолжают бороться, чтобы получить на них ответы. Различные методы измерения того, что называется постоянной Хаббла — скорости, с которой расширяется Вселенная — продолжают давать разные оценки.

Космологи дали этой загадке название: напряжение Хаббла .

В августе в исследовательской статье астрономов Чикагского университета, опубликованной в Интернете и еще не прошедшей рецензирование, сообщалось, что три метода наблюдений дали оценки постоянной Хаббла в диапазоне от 68 до 72 километров в секунду на мегапарсек.

Несколько дней спустя другая исследовательская группа под руководством космолога Адама Рисса, лауреата Нобелевской премии из Университета Джонса Хопкинса, опубликовала в сети статью, в которой оценила постоянную Хаббла в 73.

Эти цифры могут показаться среднестатистическому обывателю достаточно близкими. Но не космологам — и уж точно не Риссу, посвятившему свою карьеру измерению космического расширения.

«Мы застряли», — сказал Рисс недавно утром в своем офисе в Университете Джонса Хопкинса, где он хранит копию золотой медали, которую ему вручили в Стокгольме.

Напряжение Хаббла вспыхнуло в последнее десятилетие. Одна из наблюдательных методик основана на анализе старейшего света во Вселенной, известного как космическое микроволновое фоновое излучение, или CMB (Cosmic Microwave Background radiation). Этот анализ оценил постоянную Хаббла в 67.

Однако Рисс и его коллеги использовали космический телескоп «Хаббл» для изучения взрывающихся звезд (сверхновых) в далеких галактиках и получили более высокую оценку — 73, а более поздние наблюдения с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» дали аналогичный результат.

Ведущий автор статьи Чикагского университета Венди Фридман сказала, что напряжение Хаббла может быть не такой уж большой проблемой и научному сообществу, возможно, просто нужно улучшить способ оценки расстояний между галактиками и, следовательно, скорости их удаления друг от друга. Если это произойдет, напряжение Хаббла может быть разрешено без необходимости революционных теорий.

«Мы действительно докопаемся до сути», — обещает Фридман.

Спор о напряжении — одновременно эзотерический и фундаментальный. Эзотерический потому, что вселенная развивается в масштабах времени в миллиарды лет. Постоянная Хаббла не оказывает никакого влияния на человека. Космическое расширение происходит в межгалактическом пространстве, а не здесь, на Земле, где мы все живем. «Кому какое дело?» — вот разумная реакция на всю эту дискуссию.

Но физики и космологи очень обеспокоены, потому что это касается фундаментальной природы вселенной. Если ученые не могут согласовать свои оценки, это может означать, что во вселенной происходит что-то, что требует кардинального пересмотра космологических традиционных взглядов.

Скорость космического расширения говорит нам, сколько лет Вселенной — около 13,8 миллиардов лет по текущей оценке, основанной на фоновом излучении. И космическое расширение в конечном итоге определит будущее всего, что есть. Какова будет судьба Вселенной?

Нет научного вопроса более серьезного, чем этот.

Далеко-далеко

Космос имеет приятное свойство быть в целом прозрачным. Но астрономам все еще очень трудно измерить расстояние до далеких звезд и галактик. Это, в свою очередь, затрудняет определение того, насколько быстро галактики удаляются друг от друга по мере расширения пространства между ними.

Каждый раз, когда ученые думают, что они пришли к консенсусу, Вселенная искажает их мнение, отправляя астрономов обратно к телескопам, а теоретиков — к доскам.

Постоянная Хаббла названа в честь пионера-астронома Эдвина Хаббла, который в 1920-х годах обнаружил , что свет от многих галактик смещен в красную область спектра, что является признаком того, что галактики удаляются от нас. Более того, красное смещение увеличивается с их расстоянием. (Вот почему постоянную Хаббла традиционно описывают неуклюжей единицей измерения «километров в секунду на мегапарсек». Мегапарсек — это расстояние, равное примерно 3 миллионам световых лет. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас.)

Теоретическое значение открытия Хаббла было ошеломляющим: Вселенная не статична и не вечна. Она динамична. Пространство между галактиками, за исключением тех, которые связаны друг с другом гравитацией, расширяется. Это ключевой элемент теории большого взрыва. Сегодня Вселенная представляет собой огромный, холодный, жидкий суп из материи и энергии, но давным-давно она была невообразимо горячей и плотной.

54-летний Рисс посвятил свою карьеру изучению космического расширения. Он и двое других ученых разделили Нобелевскую премию за открытие 1998 года, которое показало, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением.

«Мы обнаружили, что Вселенная довольно сложна, — сказал Рисс. — Мы продолжаем получать маленькие сюрпризы».

На этой иллюстрации показано, как расширение пространства заставляет галактики удаляться друг от друга, подобно тому, как изюм разлетается в изюмном хлебе по мере его выпечки. Credit video: Brian Monroe/The Washington Post

Пока продолжаются дебаты о напряжении Хаббла, на фронте космического расширения появилось еще одно головокружительное событие. Проект под названием Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) использует телескоп в Китт-Пик в Аризоне для изучения миллионов галактик и создания покадровой съемки космического расширения в течение многих миллиардов лет.

Первая партия данных DESI была опубликована в этом году. Сюрприз! Ускорение Вселенной — открытие, за которое Рисс получил Нобелевскую премию — в данных DESI проявилось как замедление за последний миллиард лет или около того, как будто кто-то убрал ногу с педали газа.

Этот предварительный результат имеет потенциал взорвать предположение о темной энергии, гипотетическом (и все еще очень загадочном) энергетическом поле, которое, как предполагается, управляет ускорением. Ученые обычно рассматривают темную энергию как «космологическую константу», сохраняющую свою плотность в любом заданном объеме пространства даже при расширении Вселенной. Но данные DESI предполагают, что она может быть не константой.

«Если этот результат верен, то это самое важное открытие в области темной энергии с момента открытия космического ускорения в 1998 году», — сказал астрофизик Мустафа Ишак, профессор Техасского университета в Далласе и один из руководителей космологического анализа DESI.

Кстати, это может изменить судьбу Вселенной.

С момента открытия ускорения теоретики подсчитали, что Вселенная будет продолжать расширяться все быстрее и быстрее — пока космос не станет (триллионы лет спустя) совершенно холодным, темным и негостеприимным для жизни. Однако это мрачное будущее может так и не наступить, если расширение замедлится.

На самом деле, в одном из сценариев вселенная может даже снова схлопнуться. Для этого есть название: «Большое сжатие».

Астрономы открыли удивительные чудеса в нашей Вселенной, но некоторые из самых основных вопросов по-прежнему труднодоступны и, возможно, находятся за пределами досягаемости науки. Например: является ли Вселенная конечной или бесконечной? Ученые не знают. Она может быть и такой, и другой, говорят они. Возможно, не существует способа ответить на этот вопрос определенно. Вот почему неточно говорить, что расширяющаяся Вселенная «становится больше». Если она бесконечна, то это предел ее размеров.

Бестселлер Стивена Хокинга 1988 года «Краткая история времени» поставил важные вопросы, которые остаются без ответа 36 лет спустя: «Откуда взялась Вселенная и куда она движется? Было ли у Вселенной начало, и если да, то что было до этого? Какова природа времени? Придет ли ему когда-нибудь конец?»

Вот еще один тупик: никто не знает, из чего состоит вселенная — включая «пустое пространство» — на самом фундаментальном уровне. Физик Брайан Грин в своем электронном письме сформулировал этот вопрос следующим образом: «Какие нити сшивают ткань пространства?»

Ученые за последние десятилетия подсчитали, что примерно четверть «энергетического бюджета» Вселенной (включающего материю и энергию) находится в форме темной материи. Никто не знает, что такое темная материя. Вот почему ее называют «темной».

Наконец — здесь мы возвращаемся к этому обзору DESI — есть темная энергия. По оценкам, она составляет около 70 процентов Вселенной. Только около 4 процентов Вселенной состоит из обычной материи, такой как протоны, нейтроны, электроны и другие частицы, которые обеспечивают нас звездами, планетами, камнями, деревьями, муравьедами, тостерами и т. д.

«Во Вселенной доминируют темная материя и темная энергия, ни то, ни другое мы не понимаем. Это странно, — сказала Джейн Ригби, старший научный сотрудник телескопа Уэбба. — Это беспокоит нас всех».

Все еще в темноте

Рисс был еще молодым постдоком, когда присоединился к работе под руководством астронома Брайана Шмидта по изучению сверхновых, чтобы выявить изменения в скорости расширения Вселенной. У второй команды под руководством астронома Сола Перлмуттера была похожая цель, и обе команды состязались, чтобы получить ответ первыми.

Предполагалось, что гравитация замедлит расширение. Но в 1997 году Рисс продолжал натыкаться на что-то странное: наблюдения сверхновых и уравнения космического расширения имели смысл только в том случае, если Вселенная имела отрицательную массу. Это было абсурдно. Не существует такого понятия, как отрицательная масса.

Рисса осенило: уравнения имели бы смысл, если бы Вселенная не замедлялась, как все предполагали, а наоборот, ускорялась в своем расширении.

Он и его коллеги обменялись потоком взволнованных, но настороженных писем. Это было необычное заявление. А что, если они ошибались? Рисс призвал своих коллег быть уверенными: «Подойдите к этим результатам не сердцем или головой, а глазами. Мы же наблюдатели, в конце концов!»

Две соперничающие команды в итоге показали одинаковый ошеломляющий результат и разделили славу Нобелевской премии.

Затем перед учеными встала задача выяснить, что именно вызывает космическое ускорение. Они начали разбрасываться новым термином: темная энергия, которая, по-видимому, является свойством пространства, отталкивающей силой, вроде антигравитации.

Темная энергия «это новая жидкость, о которой мы ничего не знаем. Это не материя, это не фотоны, это что-то еще, что имеет отрицательное давление», — сказала Натали Паланке-Делабруй, директор физического отдела Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и представитель исследования DESI.

«Я сказал это 25 лет назад, и я все еще верю в это: темная энергия — самая глубокая проблема во всей науке», — написал в электронном письме Майкл Тернер, космолог из Чикагского университета, который придумал термин «темная энергия» и не является частью команды DESI. Результаты DESI, сказал он, «могут стать тем прорывом, который нам нужен».

Результаты DESI, предполагающие, что темная энергия не является константой, являются предварительными. Руководитель исследования Майкл Леви, физик из национальной лаборатории, отмечает, что опубликованные на данный момент данные охватывают только один год наблюдений.

«Мы считаем это интригующим, но я не думаю, что мы приблизились к слову на букву D (discovery) – открытию», — сказал Леви.

Американские налогоплательщики финансируют многочисленные попытки разгадать тайну темной энергии. NASA разрабатывает космический телескоп Nancy Grace Roman, запуск которого запланирован на 2027 год. Он такого же размера, как Hubble, но будет иметь гораздо более широкое поле зрения и должен предоставить больше данных об эволюции Вселенной. Европейская миссия Euclid также посвящена картированию Вселенной с течением времени и изучению роли темной энергии.

Проследите последний век космологии, и вы увидите, как статичная вселенная становится расширяющейся, а затем ускоряющейся, а затем, возможно, снова переключает передачи. Рисс относится к тем, кто считает, что его профессия может оказаться на пороге еще одного крупного открытия.

«Мы начинаем видеть больше напряжений или, может быть, странностей, — сказал он. — Есть ли у нас правильное физическое описание вселенной?»

При такой большой научной неопределенности относительно космического расширения, будущее очень сильно зависит от нас. Так же, как и прошлое. Возможно, отметил Рисс, что Вселенная циклична. За большим взрывом может последовать большой сжатие, а затем еще один большой взрыв, и так далее. И так до бесконечности.

«Я всегда предпочитал, чтобы Вселенная была цикличной», — говорит Рисс.

Но это всего лишь его предпочтение. Вселенная сделает то, что она собирается сделать. Судьба космоса не будет решаться поднятием рук.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: The ultimate cosmic question: How fast is the universe expanding?