В конце 1990-х годов группа астрофизиков, изучавшая далекие взрывы звезд, пришла к выводу, который перевернул представления о космологии: Вселенная не просто расширяется, она делает это со всё возрастающим ускорением. Лауреат Нобелевской премии Адам Рисс (Adam Riess) рассказывает, как «стандартные свечи» космоса помогли обнаружить загадочную темную энергию и почему современная физика до сих пор не может объяснить её природу, ошибаясь в расчетах на 120 порядков.
🌌 Масштабы космоса и иллюзия статики 0:05
Когда мы смотрим на самые глубокие снимки космоса, сделанные телескопом «Хаббл», перед нами предстает картина, полная десятков тысяч галактик . Самые тусклые из них в триллион раз слабее того, что может различить человеческий глаз. Весь этот массив умещается на участке неба, который можно закрыть одной песчинкой, удерживаемой на расстоянии вытянутой руки .
Несмотря на то что на снимках Вселенная кажется застывшей, на самом деле она находится в постоянном движении. Адам Рисс сравнивает этот процесс с выпеканием изюмного хлеба в духовке: по мере того как тесто (пространство) поднимается, изюминки (галактики) удаляются друг от друга .
Ключевые принципы этого движения:
- Чем дальше галактика находится от наблюдателя, тем быстрее она удаляется, так как между нами и ею находится «больше теста» — больше расширяющегося пространства .
- Это не движение объектов через пространство, а расширение самого пространства .
- Аналогия «траволатора» в аэропорту: люди могут стоять на месте, но движущаяся лента перемещает их. По мнению Адама Рисса, именно понимание этого механизма (расширения пространства) позволяет объяснить общую структуру движения во Вселенной .
📏 Космическая линейка: как измерить расстояние до звезд 2:44
Главная проблема космологии — определение расстояний. В земных условиях ученые используют три основных метода, которые адаптируют для нужд астрофизики:
- Параллакс: Создание виртуального треугольника в пространстве. Измеряя угол смещения объекта при наблюдении из двух разных точек, можно вычислить расстояние .
- Метод маяков («стандартные свечи»): Капитан корабля знает яркость маяка. Если маяк выглядит тусклым, значит, он далеко. В космосе роль таких маяков играют объекты с известной внутренней светимостью .
- Объекты известного размера: Подобно тому как мы понимаем, что маленькие самолеты в небе — это не «детские модели», а полноразмерные машины, находящиеся далеко, астрономы ищут объекты стандартных масштабов .
Природа предоставила ученым идеальный «маяк» — сверхновые звезды. Сверхновая типа 1A в миллиарды раз ярче Солнца, что позволяет видеть её на огромных расстояниях . Яркость этих объектов подчиняется закону обратных квадратов: если объект в два раза дальше, он будет в четыре раза тусклее .
📈 Закон Хаббла и возраст Вселенной 9:12
Линейная зависимость между расстоянием до галактики и скоростью её удаления называется законом Хаббла . Этот закон позволяет не только понять текущее состояние космоса, но и заглянуть в прошлое.
Если запустить «фильм» о Вселенной назад, можно вычислить момент, когда всё находилось в одной точке. Первый расчет Эдвина Хаббла в 1929 году показал, что Вселенной около 2 миллиардов лет . Это было ошибкой, так как уже тогда было известно, что Земля старше. Проблема заключалась в неточности инструментов и непонимании того, что звезды разных поколений имеют разную светимость .
Современные данные, полученные командой Адама Рисса, дают более точные цифры:
- Постоянная Хаббла ($H_0$): 73 км/с на мегапарсек .
- Возраст Вселенной: примерно 13,5 миллиардов лет .
💥 Сверхновые типа 1A: космические термоядерные бомбы 22:40
Для измерения замедления или ускорения Вселенной подходят не любые сверхновые, а только тип 1A. Теоретическую базу для их понимания заложил Субраманьян Чандрасекар в 1930-х годах .
Механизм взрыва:
- Белый карлик (ядро мертвой звезды) может существовать стабильно только до определенного предела массы — 1,4 массы Солнца (предел Чандрасекара) .
- Если звезда-компаньон «переливает» на белый карлик свое вещество, масса достигает критической точки.
- Происходит неуправляемый термоядерный взрыв. Поскольку масса «заряда» всегда одинакова, светимость такого взрыва всегда стандартна — около 4 миллиардов солнечных светимостей .
Поиск этих «космических лотерейных билетов» — трудоемкий процесс. В одной галактике такая вспышка происходит раз в сто лет. Чтобы находить их регулярно, ученые одновременно мониторят десятки тысяч галактик с помощью компьютеров, которые сравнивают снимки, сделанные с интервалом в неделю .
🧪 Ошибка, ставшая открытием: темная энергия 26:39
В середине 1990-х ученые ожидали увидеть, как гравитация замедляет расширение Вселенной. Это напоминает запуск пушечного ядра: либо оно упадет обратно (замкнутая Вселенная), либо улетит в бесконечность (открытая Вселенная) .
В 1997 году Адам Рисс ввел данные наблюдений в компьютерную программу. Результат оказался абсурдным: масса Вселенной получалась отрицательной . Программа пыталась подогнать данные под модель замедления, но Вселенная на самом деле ускорялась.
Чтобы объяснить это, пришлось вернуть «космологическую постоянную» Эйнштейна — силу отталкивания самого пустого пространства . Эйнштейн в свое время назвал её своей «величайшей ошибкой», так как ошибочно пытался использовать её для создания модели статичной Вселенной .
Реакция научного сообщества была крайне осторожной. Из личной переписки команды Рисса:
- Бруно Либенгут: «Нет смысла писать статью, если мы не уверены на 100%» .
- Брайан Шмидт: «Я согласен, данные указывают на космологическую постоянную, но это крайне озадачивает» .
- Алехандро Клой: «Если Эйнштейн ошибся, почему бы и нам не ошибиться?» .
Тем не менее в 1998 году результаты были опубликованы. Оказалось, что Вселенная на 70% состоит из темной энергии — невидимой субстанции, которая заставляет её расширяться всё быстрее .
🍽️ Рецепт Вселенной и будущее физики 45:10
Сегодня ученые имеют «рецепт» Вселенной, который выглядит весьма непривычно:
- 0,05% — планеты .
- 0,5% — звезды.
- 4% — межзвездный газ.
- 25% — темная материя (удерживает галактики вместе).
- 70% — темная энергия (раздвигает пространство).
Всего 5% Вселенной состоит из обычной материи (барионов), описанной в таблице Менделеева. Остальные 95% остаются загадкой .
Самая большая проблема современной науки — несоответствие расчетов. Квантовая механика предсказывает энергию вакуума, которая могла бы быть темной энергией, но расчетное значение расходится с наблюдаемым на 120 порядков (число с 120 нулями) . Адам Рисс называет это самым глубоким кризисом в физике, так как это указывает на фундаментальную несовместимость квантовой теории и общей теории относительности .
В будущем новые телескопы NASA и Европейского космического агентства должны дать ответ на вопрос: является ли темная энергия статичной или она меняется со временем? От этого зависит судьба всего мироздания — замерзнет ли Вселенная в бесконечном расширении или когда-нибудь снова начнет сжиматься .
