Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад из точки с бесконечной плотностью, где привычные законы физики не имели смысла. Сначала Вселенная была чрезвычайно горячей, но, стремительно увеличиваясь в размерах, стала остывать. Через сотни тысяч лет сложились ядра атомов, появилось вещество, каким мы его знаем. Потом зажглись первые звезды, вокруг них завертелись планеты. Спустя где-то 4,5 млрд лет в галактике Млечный Путь загорелось Солнце. А неподалеку вращается планета Земля, где завелись люди и в последние 100 лет решили, что все так и было.
Ученые принимают такую картину мира потому, что она согласуется с основой современной физики — теорией относительности Альберта Эйнштейна и с явлениями, наблюдаемыми в космосе. Вот только в рамки принятых космологических моделей укладывается не все, что есть на небе. Одно из последних противоречий обнаружила группа исследователей под руководством Адама Рисса.
Хаббл против Эйнштейна
Во времена Эйнштейна считалось, что Вселенная однородна, неизменна и вечна (а наша галактика Млечный Путь и есть вся Вселенная). Так же думал и сам Эйнштейн. Но когда он решил уравнения своей теории относительности, его постигло разочарование.
Расчеты четко показывали, что Вселенная должна плавно уменьшаться под действием гравитации, стремясь сжаться в точку. Другая версия этих уравнений, выведенная советским математиком Александром Фридманом в 1922 году, говорила об обратном: Вселенная должна не сжиматься, а постоянно расширяться.
И тот и другой исход не понравился великому физику, и он ввел новую переменную в свои уравнения, которая позволяла удерживать Вселенную от схлопывания или безудержного расширения, — космологическую постоянную.
Эта идея продержалась недолго. Уже в 1929 году знаменитый астроном Эдвин Хаббл обнаружил, наблюдая за далекими галактиками в телескоп, что Вселенная не стоит на месте, как считал Эйнштейн, а в самом деле расширяется с примерно постоянной скоростью (и простирается за пределы Млечного Пути).
Это открытие вынудило Эйнштейна назвать космологическую постоянную "главной ошибкой жизни" и фактически приравнять ее к нулю для того, чтобы объяснить наблюдения Хаббла. Но оказалось, что Эйнштейн ошибался в том, что ошибался: космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительное значение.
"Хаббл" против "Планка"
Большинство звезд в космосе не одиночки, как Солнце, а вращаются в парах. Бывает и так, что одна из звезд мертва — от нее осталось только чрезвычайно плотное и раскаленное ядро, белый карлик. Если белый карлик перетянет на себя достаточно вещества соседки или просто с ней столкнется, случится чудовищный взрыв сверхновой — такой яркий, что затмевает свет целой галактики. А поскольку для этого необходима строго определенная масса, то мощность взрывов одинакова, и по ним удобно измерять расстояние: чем тусклее вспышка, тем дальше она возникла.
В конце 1990-х годов Рисс и его коллеги заметили, что у особо далеких сверхновых такого типа яркость ниже, чем предсказывали расчеты. Получалось, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, как предсказывал Хаббл, а делает это все быстрее и быстрее. Кроме прочего, это значит, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительное значение (поэтому-то Эйнштейн ошибался, что ошибался).
Открытие Рисса и его коллег было таким важным, что в 2011 году за него присудили Нобелевскую премию по физике: по четверти получили Адам Рисс и его коллега Брайан Шмидт, а оставшуюся половину — Сол Перлмуттер из другой исследовательской группы.
Ускорение, как считают космологи, обеспечивает темная энергия — нечто, что действует на материю в противовес гравитации. Что она собой представляет, до сих пор неизвестно, но, по расчетам, Вселенная на две трети состоит из темной энергии, а на видимую материю — звезды, планеты и нас с вами — приходится всего лишь одна двадцатая часть (оставшиеся 27% — темная материя).
Быстро или еще быстрее
Теперь среди космологов идут ожесточенные дебаты о том, когда именно началось ускорение, меняла ли темная энергия свои свойства в прошлом и будет ли она меняться в будущем. Дело в том, что Вселенная, как показывают наблюдения за очень далекими сверхновыми, начала расширяться далеко не сразу.
Как считают сегодня многие ученые, примерно 4−5 млрд лет назад темпы расширения Вселенной росли заметно медленнее. А вот потом в процесс "включилась" темная энергия, начавшая преобладать в энергетическом "бюджете" Вселенной.
За последние годы ученые еще больше все запутали. В июне 2016 года Адам Рисс и его коллеги попытались точно вычислить нынешнюю скорость расширения Вселенной. Их расчеты опирались на данные наблюдений при помощи телескопа "Хаббл" (назван в честь Эдвина) за переменными звездами-цефеидами, чья яркость колеблется плавно и которые поэтому тоже хорошо подходят для сверхточного измерения расстояния в космосе. Результаты наблюдений оказались крайне неожиданными.
Выяснилось, что две галактики или два любых других объекта, расположенных на расстоянии мегапарсека друг от друга (примерно 3 млн световых лет), разлетаются сейчас со скоростью около 73 км/с. Это значение выше, чем показывают данные, полученные при помощи космических телескопов WMAP и "Планк". Если верить этим инструментам, то нынешняя скорость расширения Вселенной — 68−69 км/с на мегапарсек.
Объяснений тут может быть как минимум два: или какие-то результаты наблюдений являются ошибочными, или же свойства темной энергии и манера расширения Вселенной заметно изменились за последние 7 млрд лет.
Космологические войны
Замеры и заявления Рисса и его коллег, а также другие открытия, связанные с изучением свойств ранней Вселенной, вызвали яростное неприятие у ряда космологов. Дошло до того, что весной 2017 года на страницах научных журналов и научно-популярных изданий вспыхнула небольшая "война", продолжающаяся до сих пор.
Рисс измерял скорость расширения в основном по близлежащим (разумеется, в космических масштабах) сверхновым и цефеидам. Его оппоненты считают, что по точности этот метод не сравнится с наблюдениями на WMAP и "Планке", которые наблюдают всю Вселенную в микроволновом спектре.
На это возражают, что выводы по данным с WMAP и "Планка" чересчур опираются на теоретические допущения, а Рисс и его единомышленники, наоборот, отталкиваются от фактических астрономических наблюдений в оптическом диапазоне. Кто же прав — "астрономы" или "космологи"?
Исследователи, не присоединившиеся ни к одному лагерю, предпочитают говорить, что для получения действительно точных значений скорости расширения Вселенной необходимо дождаться окончания сбора данных космическим телескопом Gaia, способным очень точно вычислять положение звезд, в том числе и цефеид, и запуска телескопа "Джеймс Уэбб", которому передаст вахту "Хаббл". Полные данные команда Gaia опубликует в 2022 году (хотя Рисс, сверившись с неполным датасетом обсерватории, утверждает, что они подтверждают его позицию); пуск "Джеймса Уэбба" намечен на март 2021 года.
Чем дальше в лес, тем больше дров
"Я уверен, что данные с "Планка" верны и что расхождений в измерениях не должно быть. Всегда, когда речь идет о космологических наблюдениях, мы должны использовать все небо, а не только некоторые его регионы, иначе нашим замерам будет мешать селекционный эффект (то, что мы видим только самые яркие источники) и другие вещи, такие как локальное движение", — говорит Олег Верходанов, космолог из Специальной астрофизической обсерватории РАН в Нижнем Архызе.
Иными словами, если бы Рисс и его коллеги рассмотрели больше цефеид и вспышек сверхновых, то их замеры скорости расширения Вселенной, как считает Верходанов, были бы ближе к результатам, полученным при анализе данных с "Планка" и WMAP. Соответственно, в будущем позиция нобелевского лауреата пошатнется.
Кое-что еще уже сейчас говорит не в пользу Рисса. В ходе крупнейшего оптического обзора неба SDSS и связанного с ним проекта BOSS были получены аналогичные значения, что и на телескопе "Планк". Как считает Верходанов, совпадения результатов в совершенно разных диапазонах волн полностью объясняют расхождения, зафиксированные Риссом, и показывают, что никакой проблемы на самом деле не существует.
Юбиляр и его сторонники тоже не сидели сложа руки и пытались подтвердить свои выводы, используя новые данные и другие методы вычисления расстояний до "маяков Вселенной" в Млечном Пути и близлежащих галактиках. У них появились основания полагать, что скорость расширения на самом деле еще выше, чем изначально предполагалось, и что существует не два, а три типа "темных субстанций": темная материя, энергия, а также темное излучение (англ. dark radiation), первое время тормозившее расширение Вселенной.
Другие исследователи получали результаты как в пользу Рисса, так и против, используя принципиально иные методики наблюдений, не зависящие от цефеид, сверхновых или микроволнового "эха" Большого взрыва. А недавно в этом конфликте появился третий участник. В июле 2019 года астрофизики из США попытались вычислить скорость расширения Вселенной, наблюдая за престарелыми звездами, начавшими превращаться в красных гигантов. Эти замеры почти не уступали в точности двум "конкурентам", и при этом они не совпали ни с одной оценкой скорости расширения. В соответствии с этими расчетами она составляет 70 км/сек на мегапарсек.
Что будет значить победа Рисса (или всех сразу)
Все это говорит о том, что "космологическая война" пока далека от завершения. Как надеются все ее участники, новые спутники и телескопы помогут определить победителя уже в ближайшие годы. От этого зависит, будет ли у Рисса и его коллег (или их оппонентов) шанс еще раз взойти на верхнюю ступень научного пьедестала — получить Нобелевскую премию.
Вне зависимости от того, кто победит в этой "войне", судьба Вселенной, скорее всего, от этого радикально не изменится, и мироздание вряд ли ожидает "Большой разрыв" или "Большое сжатие" для всех трех возможных значений постоянной Хаббла. С другой стороны, если и замеры Рисса, и данные "Планка" окажутся верными, это будет означать, что существует физика за пределами стандартных космологических теорий, объясняющая то, почему скорость расширения мироздания изменилась с момента рождения Вселенной.
Если же окажется, что верны расчеты всех сторон в этом конфликте, то это укажет на кое-что более важное, чем на фаворита в гонке за золотой медалью. Тогда получится, что за пределами наших теорий о том, как устроена Вселенная, есть другая, новая физика. Ученым ничего не останется, кроме как разработать еще одну, великую теорию XXI века, по революционности сравнимую с теорией относительности и квантовой механикой. Такая теория снова перевернет с ног на голову наши представления о мире.
Александр Телишев