В новом выпуске научно-популярного шоу StarTalk ведущий Нил Деграсс Тайсон, его соведущий Чак Найс и физик из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) Джейсон Роудс обсуждают одну из величайших загадок космологии — темную энергию. Исследователи разбирают принципы работы новейшего космического телескопа Euclid, объясняют разницу между темной материей и темной энергией, а также отвечают на самые каверзные вопросы слушателей. Данный материал предлагает подробный разбор научной дискуссии о судьбе нашей расширяющейся Вселенной.
🌌 Природа космического ускорения: что такое темная энергия? 0:02
Разговор начинается с обсуждения фундаментальной проблемы современной астрофизики — ускоряющегося расширения Вселенной . Как объясняет Джейсон Роудс, термин «темная энергия» фактически служит обозначением человеческого невежества относительно физических причин этого процесса .
История открытия этого феномена восходит к событиям 25-летней давности. Тогда две независимые группы ученых пытались измерить скорость расширения Вселенной и то, как гравитация должна его замедлять. Однако исследователи пришли к поразительному выводу: расширение не замедляется, а ускоряется, словно некая сила расталкивает пространство . За это открытие впоследствии была присуждена Нобелевская премия .
Джейсон Роудс приводит следующие примечательные факты о динамике темной энергии:
- Около 10 миллиардов лет назад темная энергия составляла крайне малую, второстепенную долю Вселенной .
- Сегодня темная энергия стала доминирующим компонентом космического пространства .
- Через 10 миллиардов лет Вселенная будет практически полностью подчинена этой силе .
По мнению Роудса, одна из рабочих теорий гласит, что темная энергия является фундаментальным свойством самого пространства-времени . Из этого следует парадоксальный вывод: расширение космоса порождает новое пространство-время, что увеличивает общий объем темной энергии в рамках самоподдерживающегося процесса .
Нил Деграсс Тайсон указывает на физическое противоречие данной концепции: подобная модель выглядит как прямое нарушение закона сохранения энергии в классическом ньютоновском понимании . Тем не менее, Роудс констатирует, что математические уравнения Эйнштейна, описывающие это явление, успешно применяются уже столетие и точно соответствуют наблюдаемым данным . По мере расширения Вселенной плотность обычной материи падает, а вместе с ней ослабевает и гравитация, что дает темной энергии абсолютное преимущество в будущем .
🚀 В космос и выше: от Spitzer до Nancy Grace Roman 5:45
Для проверки космологических моделей ученым требуются новые методы наблюдений. Первоначальные исследования 1990-х годов опирались на вспышки сверхновых звезд при значении красного смещения $z \approx 1$ . Современная цель астрофизиков — зафиксировать аналогичные процессы при $z \approx 2$. Для этого NASA планирует запустить космический телескоп Nancy Grace Roman в 2027 году .
Спикеры подробно останавливаются на исторической справедливости названия нового аппарата. Нэнси Грейс Роман была назначена первым главным астрономом NASA вскоре после основания агентства в 1958 году . Ее по праву называют «матерью космического телескопа Хаббл», поскольку именно она вела активную организационную работу по лоббированию и созданию этого легендарного инструмента .
Нил Деграсс Тайсон добавляет, что идея вывода телескопов за пределы атмосферы Земли обсуждалась учеными задолго до ее реализации. Еще после Второй мировой войны физик Лайман Спитцер опубликовал научную работу, указав на преимущества орбитальных наблюдений . Впоследствии в честь Спитцера был назван инфракрасный космический телескоп NASA .
По словам Роудса, будущий телескоп Roman будет работать в связке с уже запущенным европейским аппаратом Euclid для применения передовых космологических методов:
- Слабое гравитационное линзирование — измерение крошечных искажений формы фоновых галактик для картирования распределения темной материи между ними и Землей .
- Барионные акустические осцилляции — анализ паттернов скученности галактик для понимания структуры распределения вещества .
Роудс подчеркивает, что изучение темной энергии происходит через ее взаимодействие с темной материей: гравитация стягивает темную материю в сгустки, а темная энергия препятствует этому, расталкивая их . Отклонения в этих процессах от стандартных теоретических моделей позволяют ученым судить о свойствах темной энергии .
🎈 Астрономия на воздушных шарах и жесткие диски, падающие с небес 10:17
Атмосфера Земли существенно ограничивает возможности наземных телескопов: она не только поглощает многие длины волн света, но и вызывает мерцание звезд . Нил Деграсс Тайсон в шутку сетует, что пытается приучить свою двухлетнюю дочь петь «Сияй, сияй, преломляющая атмосфера» вместо классической песенки «Twinkle, Twinkle, Little Star» .
Запуск ракет в космос — крайне дорогой и долгий процесс. В качестве более доступной альтернативы космические агентства используют гигантские воздушные шары размером с футбольный стадион, наполненные гелием . Они поднимают научные приборы на границу атмосферы Земли.
Джейсон Роудс делится деталями недавней миссии SuperBIT:
- Весной телескоп SuperBIT, подвешенный на гелиевом шаре, совершил около пяти полных кругосветных путешествий, стартовав из Новой Зеландии .
- Аппарат двигался за счет попутных ветров и непрерывно вел наблюдения за скоплениями галактик для картирования темной материи .
- Приземление шара было инициировано принудительно над сушей, чтобы ученые могли гарантированно вернуть жесткие диски с научными данными, сбор которых в океане был бы невозможен .
Чак Найс и Нил Деграсс Тайсон шутят о необходимости использования «спасательных жилетов для бассейна» или аквапалок (pool noodles) для оборудования, чтобы оно не тонуло при падении в воду .
В ответ Роудс рассказывает захватывающую историю о том, как около 10 лет назад его команда придумала резервную систему спасения данных. Поскольку жесткие диски относительно дешевы, инженеры решили сбрасывать их с воздушного шара на парашютах или планерах прямо во время полета . Эта технология была успешно протестирована в миссии SuperBIT: диски сбрасывались из верхних слоев атмосферы и обнаруживались поисковой командой на Земле . Несмотря на то, что спутниковая связь работала отлично и данные дублировались по воздуху, физический сброс носителей доказал свою надежность в качестве резервного канала .
💬 Вопросы слушателей: от черных дыр до Великого аттрактора 15:47
Во второй части программы ведущие разбирают вопросы от патронов шоу StarTalk.
Время и черные дыры
13-летний патрон Кэлвин спрашивает: если пространство и время меняются местами внутри черной дыры, и если эта дыра состоит из темной материи, можем ли мы использовать ее энергию для путешествий во времени и создания червоточин в далекие галактики?
Джейсон Роудс разочаровывает юного исследователя: любая материя, обычная или темная, после пересечения горизонта событий черной дыры навсегда теряется для внешнего наблюдателя, и мы не имеем к ней доступа . При этом черная дыра «неразборчива в еде» — гравитационно она поглощает любые типы массы без какого-либо различия .
Нил Деграсс Тайсон цитирует знаменитое изречение писателя-фантаста и популяризатора науки Айзека Азимова: «Самая волнующая фраза, которую можно услышать в науке, — та, что возвещает новые открытия, — это не «Эврика!», а «Как забавно...»» . Именно такое удивление испытали астрофизики 25 лет назад при обнаружении темной энергии .
Проблема «устаревшей» карты Вселенной
Слушатель Роланд из Кельна (Германия) интересуется миссией Euclid: как ученые справляются с тем, что их 3D-карта Вселенной является устаревшей? Ведь галактики, свет от которых шел миллиарды лет, уже сместились, слились или изменились, и мы видим лишь их «призрачные образы» .
Джейсон Роудс объясняет, что ученым и не нужно знать, как эти галактики выглядят сегодня. Напротив, астрофизиков интересует именно прошлое. Поскольку телескоп смотрит вглубь Вселенной, третье измерение на его карте напрямую отражает время . Изучая эволюцию Вселенной на разных этапах ее истории, ученые отслеживают динамику противостояния темной энергии и гравитации .
Справочные факты о миссии Euclid:
- Запуск состоялся 1 июля 2023 года .
- Миссия разработана Европейским космическим агентством (ESA), однако NASA предоставило передовые инфракрасные детекторы и финансирует работу более 100 американских ученых в рамках проекта .
- Джейсон Роудс занимает пост научного руководителя миссии Euclid от США .
Разгадка Великого аттрактора
Слушательница Фабиола из Венгрии спрашивает, сможет ли Euclid раскрыть природу Великого аттрактора или доказать его отсутствие .
Джейсон Роудс подтверждает, что Великий аттрактор — это реально существующая гигантская концентрация галактик и связанной с ними темной материи в относительной близости от Млечного Пути, притягивающая к себе другие звездные системы . Телескоп Euclid составит беспрецедентную карту распределения темной материи, покрывающую треть всего неба . Для съемок выбрана самая «темная» область, свободная от мешающих звезд нашей собственной Галактики .
Для этого будет использован метод искажения пространства красных смещений (redshift space distortions) . Измеряя едва заметные локальные отклонения в движении галактик под воздействием гравитации скоплений темной материи, ученые смогут детально воссоздать структуру Великого аттрактора и проанализировать глобальное влияние темной энергии .
🪒 Бритва Оккама и природа темной материи 27:09
Слушатель Эд из Портленда ставит под сомнение терминологию ученых, апеллируя к принципу бритвы Оккама. Почему физики решили, что темная материя — это именно вещество, а темная энергия — именно энергия? Вдруг наблюдаемые эффекты вызваны исключительно свойствами самого пространства ?
Джейсон Роудс возвращается к истории открытия темной материи. Первые убедительные доказательства ее существования были получены в 1970-х годах астрономом Верой Рубин . Она обнаружила, что внешние области галактик вращаются гораздо быстрее, чем должны, исходя из массы видимых звезд и газа .
За прошедшие полвека ученые накопили множество разнообразных астрофизических данных, указывающих на то, что темная материя представляет собой массивные частицы, взаимодействующие с остальным миром только посредством гравитации . В пользу этой гипотезы говорит наблюдаемый процесс иерархического скучивания (hierarchical clustering) вещества во Вселенной .
При этом Роудс признает ключевую проблему: физикам до сих пор не удалось экспериментально зарегистрировать саму частицу темной материи . Все наземные детекторы фиксируют лишь так называемые «нулевые результаты» (null detections) . Ученые строят предположения о свойствах потенциальной частицы, создают под нее эксперимент, не обнаруживают ее и переходят к следующему кандидату, отсекая неверные теории .
В дискуссию о названиях вмешивается Нил Деграсс Тайсон. По его мнению, термин «темная материя» концептуально неточен и вводит людей в заблуждение. Корректнее было бы называть ее «темной гравитацией», поскольку ученые фиксируют именно гравитационные аномалии, а утверждение о наличии скрытого вещества на ранних этапах было избыточным шагом .
Джейсон Роудс соглашается с Тайсоном и предлагает альтернативное название — «прозрачная материя» (clear matter) . Обычные темные объекты (например, волосы Чака Найса) поглощают свет , тогда как темная материя вообще не взаимодействует с электромагнитным излучением. Свет звезд проходит сквозь нее без ослабления, лишь незначительно искривляясь из-за гравитационного линзирования пространства-времени .
Что касается темной энергии, Роудс подтверждает, что она не является энергией в классическом понимании . Термин «темная энергия» был предложен американским астрофизиком Майклом Тернером , и хотя название прижилось, ученые рассматривают этот феномен скорее как фундаментальное свойство самого вакуума .
🌊 Гравитационные волны, миллиард галактик и неевклидова вселенная 33:44
Слушатель Кевин из Невады задает вопрос о природе гравитации: могут ли гравитационные поля массивных тел искажать гравитационные волны, идущие от других объектов, и как ученые отличают их источники друг от друга ?
Роудс отмечает, что исследование гравитационных волн — колебаний ткани пространства-времени — стало революционным прорывом последнего десятилетия . Детекторы на Земле фиксируют тончайшие изменения в прохождении лазерных лучей, вызванные столкновениями черных дыр или нейтронных звезд на огромных расстояниях . Отвечая на вопрос о взаимном влиянии волн, Роудс сравнивает их с кругами на воде: две гравитационные волны от разных источников действительно могут пересекаться, интерферировать и резонировать . Для фиксации этих эффектов в 2030-х годах Европейское космическое агентство при участии NASA планирует запустить космическую лазерную интерферометрическую антенну LISA .
Томас из Канзас-Сити интересуется технической стороной миссии Euclid: как можно изучать темную энергию и темную материю, не взаимодействующие со светом, с помощью приборов, настроенных на видимый и инфракрасный диапазоны спектра ?
Нил Деграсс Тайсон сравнивает стратегию ученых с «ударом от борта» (bank shot) в бильярде: вместо того чтобы целиться в шар напрямую, астрономы бьют по нему рикошетом . Телескоп Euclid не видит темную субстанцию, но с высочайшей точностью фиксирует форму, расстояние и скорость движения миллиарда обычных галактик , .
Для наглядности Тайсон приводит аналогию с электроном:
- Физики постоянно используют понятие электрона, знают его заряд и свойства .
- При этом человечество никогда напрямую не измеряло физический размер электрона; в уравнениях он представляется бесконечно малой точкой .
- Мы судим об электроне исключительно по характеру его взаимодействия с другими объектами .
Точно так же, анализируя форму и искажения более миллиарда галактик, ученые получают колоссальный массив статистических данных . Джейсон Роудс признает, что для обработки такого объема информации астрофизики вынуждены привлекать искусственный интеллект, так как ручной анализ силами студентов-аспирантов физически невозможен .
В завершение встречи соведущие обсуждают этимологию названия миссии. Роудс напоминает, что измерение расширения Вселенной ученые называют определением ее геометрии, поэтому логично было назвать проект в честь Евклида — отца геометрии . Тайсон с иронией возражает: поскольку Эйнштейн доказал искривление пространства-времени массой, геометрия нашей Вселенной является неевклидовой . Следовательно, проект следовало бы переименовать в «Неевклидову миссию» .
Джейсон Роудс обещает вернуться в эфир StarTalk с первыми результатами масштабных наблюдений телескопа Euclid в ближайшие месяцы .
