В мае 2015 года группа астрофизиков выдвинула поразительный прогноз: они утверждали, что в ноябре того же года человечество станет свидетелем взрыва сверхновой звезды в далекой спиральной галактике. Это стало первым в истории предсказанием подобного космического события, невероятная редкость и хаотичность которого обычно исключают любые точные прогнозы. В этом материале, основанном на выпуске канала Veritasium, ведущий Дерек Мюллер объясняет, как явление гравитационного линзирования позволило ученым заглянуть в будущее, проверить общую теорию относительности Эйнштейна и попытаться разрешить величайший кризис современной космологии.
🌠 Предсказание космической катастрофы: вызов теории вероятностей 0:00
1 мая 2015 года группа ученых опубликовала расчеты, согласно которым в ноябре того же года в далекой галактике под кодовым названием SP1149 произойдет вспышка сверхновой . Подобные заявления в астрономии звучат революционно, поскольку сверхновые звезды крайне редки и непредсказуемы . Когда звезда, чья масса превышает массу нашего Солнца более чем в восемь раз, исчерпывает запасы термоядерного топлива в своем ядре, она коллапсирует под действием собственной гравитации, что приводит к колоссальному взрыву . На пике своей яркости сверхновая способна затмить целую галактику, состоящую из сотен миллиардов звезд .
Несмотря на невероятную мощность этих взрывов, в масштабах одной галактики они происходят крайне редко. По оценкам астрофизиков, в галактике размером с Млечный Путь (около 100 миллиардов звезд) происходит в среднем лишь две вспышки сверхновых за столетие . Ученые могут приблизительно оценивать продолжительность жизни конкретных звезд на основе их массы, светимости и спектрального класса . Однако погрешность таких расчетов огромна. Например, красный сверхгигант Бетельгейзе в нашей галактике считается главным кандидатом на скорый взрыв . По мнению астрономов, Бетельгейзе может взорваться «в любой день» в течение ближайших 100 тысяч лет — для Вселенной это лишь миг, но для человечества это вечность .
Тем не менее, авторы прогноза 2015 года были настолько уверены в своих расчетах, что запросили наблюдательное время на космическом телескопе Hubble Space Telescope . Запрос был одобрен, и Hubble начал методично сканировать указанный участок неба примерно раз в месяц, начиная с 30 октября 2015 года .
Результаты наблюдений развивались следующим образом:
- 30 октября 2015 года: на снимке Hubble нет никаких следов взрыва .
- 14 ноября 2015 года: повторный снимок также показывает пустое пространство .
- 11 декабря 2015 года: долгожданный триумф — сверхновая вспыхнула ровно в том месте и практически в то время, которое предсказали ученые .
🔍 Феномен гравитационного линзирования и космические миражи 3:05
Секрет этого точного предсказания заключался в том, что астрономы фактически уже видели эту конкретную сверхновую ранее — причем четыре раза в течение предыдущего года . Вспышка отобразилась на архивных снимках телескопа Hubble в виде четырех ярких точек, расположенных крестом вокруг эллиптической галактики . Это явление возникло из-за гравитационного линзирования — эффекта, предсказанного общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Роль линзы здесь сыграло колоссальное скопление обычной и темной материи, расположенное между Землей и взрывающейся звездой .
Гравитационное поле массивных объектов искривляет траекторию проходящих мимо световых лучей, фокусируя и увеличивая яркость фоновых источников, а также искажая их форму в виде дуг или колец .
В физике гравитационного линзирования выделяют три ключевых элемента:
- Источник света (далекая звезда или галактика) .
- Гравитационная линза (массивный объект или скопление галактик) .
- Наблюдатель (телескоп на Земле или на орбите) .
В зависимости от взаимного расположения и симметрии этих элементов возникают разные оптические эффекты:
- Кольцо Эйнштейна: возникает при идеальном сферическом выравнивании источника, линзы и наблюдателя по одной оси. Свет огибает линзу равномерно, образуя светящееся кольцо .
- Разорванное кольцо: наблюдается при небольшом смещении с идеальной оси симметрии, из-за чего кольцо распадается на две полукруглые дуги .
- Крест Эйнштейна: формируется, когда линза имеет эллиптическую форму, а выравнивание остается практически идеальным. В этом случае изображение источника расщепляется на четыре отдельные точки .
История обнаруженной сверхновой началась примерно 9,3 миллиарда лет назад, когда в далекой галактике взорвалась массивная звезда . Свет от этого взрыва распространялся во всех направлениях. Около 5 миллиардов лет назад — еще до того, как сформировалась Земля — этот поток фотонов прошел мимо гигантского скопления галактик MACS J1149.5+2223 . Гравитационное поле этого скопления, состоящего из сотен галактик и гало темной материи, искривило пространство-время . Отдельная эллиптическая галактика внутри этого скопления сработала как линза, сфокусировав расходящиеся лучи света так, что они сошлись в одной точке — там, где сейчас находится Земля .
⏳ Эффект Шапиро: почему свет «опаздывает» в искривленном пространстве 5:55
Помимо пространственного разделения на четыре изображения, гравитационное линзирование вызвало и временную задержку. Световые сигналы в четырех точках появились не одновременно: задержка между первым и последующими изображениями составила от пяти дней до трех недель . Астрономы смогли зафиксировать эту разницу благодаря анализу кривой блеска сверхновой, поскольку разные изображения находились на разных стадиях угасания . Это стало первым в истории наблюдением множественно линзированной сверхновой . В отличие от статичных галактик, сверхновые динамичны, что дает уникальную возможность измерить точное время задержки .
Дерек Мюллер объясняет, что временная задержка обусловлена двумя фундаментальными факторами:
- Разницей в геометрической длине путей, которые прошел свет по разным траекториям огибания линзы .
- Гравитационным замедлением времени, известным как эффект Шапиро (или задержка Шапиро) .
Согласно общей теории относительности, для внешнего наблюдателя свет в искривленном пространстве-времени движется медленнее. В 1964 году американский физик Ирвин Шапиро предложил экспериментальный метод проверки этого феномена путем отправки радарных сигналов к Венере и измерения времени их возвращения . Его расчеты показали, что когда Венера находится за Солнцем, влияние солнечной гравитации должно добавлять около 200 микросекунд к общему времени пути сигнала . Эксперименты полностью подтвердили эти расчеты . Сегодня эффект Шапиро в обязательном порядке учитывается при расчете точного расстояния до межпланетных аппаратов Voyager и Pioneer .
🌌 Великое космологическое противостояние: постоянная Хаббла и кризис физики 8:04
Исследуя снимки, астрофизики заметили, что сама родительская галактика сверхновой отображается на линзированном кадре трижды . Скопление MACS J1149.5+2223 настолько массивно, что искажает свет десятков фоновых галактик . Ученые построили сложную компьютерную модель распределения массы в этом скоплении. На основе модели они рассчитали, что в первом изображении галактики сверхновая должна была вспыхнуть еще в 1995 году (архивных снимков высокой четкости за тот год не сохранилось) . А вот во втором изображении галактики вспышка должна была произойти примерно через год после обнаружения «креста» — в конце 2015 года . Точное совпадение этого предсказания с реальностью подтвердило точность космологических моделей, но также дало ученым инструмент для решения фундаментального спора о скорости расширения Вселенной .
Этот параметр описывается постоянной Хаббла. Сегодня в астрофизике существует два основных метода ее расчета, результаты которых критически расходятся:
- Метод «шкалы расстояний» (Distance Ladder). Он основан на измерении светимости стандартных свеч (например, цефеид или сверхновых типа Ia) в относительно близких галактиках. Зная их истинную яркость и измеряя красное смещение, ученые вычисляют скорость расширения. Этот метод дает значение постоянной Хаббла около 74 км/с на мегапарсек .
- Анализ реликтового излучения (CMB). Этот метод исследует флуктуации космического микроволнового фона — «эха» ранней Вселенной. Используя стандартную космологическую модель (Lambda-CDM), ученые экстраполируют эти данные на современную эпоху. Данный метод дает значение около 67 км/с на мегапарсек .
Несмотря на постоянное повышение точности приборов, эти два показателя не сближаются. По мнению космолога Джозефа Силка, расхождение между ними достигло статистической значимости в пять сигма ($5\sigma$), что указывает на возможный фундаментальный «кризис в космологии» .
Метод измерения постоянной Хаббла через временную задержку линзированной сверхновой был теоретически предложен норвежским астрофизиком Сигуром Рефсдалом еще в 1964 году . В честь него обнаруженный объект получил название «Сверхновая Рефсдала» (Supernova Refsdal) .
Расчеты постоянной Хаббла на основе временных задержек Сверхновой Рефсдала показали значение в 64 км/с на мегапарсек . Хотя этот результат пока имеет широкие границы погрешности, по мнению Дерека Мюллера, он гораздо ближе к результатам анализа реликтового излучения, чем к методу «шкалы расстояний» . Искажения пространства-времени, которые кажутся нам оптическими дефектами, на самом деле содержат в себе фундаментальные коды к пониманию эволюции всей Вселенной .
🧠 Загадка гравитации и конкурс от Fast Hosts 12:13
В завершение выпуска Дерек Мюллер представил спонсора видео — британского провайдера веб-хостинга Fast Hosts, который разыгрывает технологический комплект стоимостью 5000 фунтов стерлингов среди зрителей из Великобритании .
Для участия в розыгрыше ведущий предложил ответить на исторический вопрос: какой знаменитый ученый подверг резкой критике ньютоновскую теорию тяготения за концепцию «дальнодействия» через абсолютную пустоту? . Цитата этого мыслителя гласит, что предположение о способности одного тела воздействовать на другое на расстоянии через вакуум без какого-либо посредничества является «столь огромной нелепостью», что в нее не может впасть ни один человек, обладающий компетентным философским мышлением .
