Коснуться пустоты. Считаете, что космология — это занудно? Мы изменим ваше мнение одним отрывком из книги

4 декабря 2021, 09:50
Книга Полный конец *по мнению астрофизиков (Фото:Лаборатория)

Книга Полный конец *по мнению астрофизиков (Фото:Лаборатория)

Год назад Кейти Мак — теоретическая космологиня, астрофизикиня и доцентка университета штата Северная Каролина — опубликовала книгу Полный конец *по мнению астрофизиков, в которой рассказывает о пяти возможных сценариях конца света с научной точки зрения.

Чтобы узнать, куда все это катится, она поговорила с десятками коллег-космологов и физиков элементарных частиц; а ее работа была названа лучшей книгой 2020 изданиями The Washington Post, The Economist, New Scientist, Publishers Weekly и The Guardian.

Видео дня

Недавно ее книга была переведена на украинский язык и опубликована издательством Лаборатория. НВ публикует отрывок из нее, посвященный исследованиям темной энергии.

Коснуться пустоты

Е сли мы хотим что-то узнать о далеком будущем космоса, стоит разобраться с гигантским невидимым убийственным бельмом на глазу: темной энергией. Когда в 1998 году открыли ускоренное расширение Вселенной, сразу появилась однозначная версия будущего: в ней доминировала темная энергия, космос постепенно опустошался, становился более холодным и темным, и все структуры распадались и наступала неминуемая тепловая смерть. Но это лишь экстраполяция, основанная на понятии, что темная энергия — неизменная космологическая постоянная. Как мы уже видели, если за ускорение расширения космоса отвечает что-то из категории фантомной темной энергии или это когда-то изменится — последствия для космоса будут драматически иными.

К сожалению, мы не особенно можем наблюдать темную энергию. Насколько нам известно, она невидима, ее невозможно зафиксировать в лабораторных экспериментах, она полностью равномерно распределена во Вселенной и заметить ее можно только по тому, как она косвенно влияет на Вселенную в масштабах, куда больше нашей галактики.

В общем, измерять мы можем две вещи. Первая — история расширения космоса. Ее мы сейчас изучаем преимущественно так, что смотрим на очень далекие сверхновые и считаем, как быстро они от нас удаляются. Вторая — история образования структур. Здесь структурами мы обычно называем галактики и скопления галактик, потому что для космологов звезды и планеты — всего лишь мелочи, которые только раздражают и мешают. Это уже нельзя измерить напрямую, но можно активно привлекать творчество в работе с данными. Фокус состоит в том, чтобы получить изображение и спектры как можно большего количества галактик из гигантского участка космоса (и большого куска его истории), а затем статистическими методами вывести, как вся эта материя формировала эти структуры за определенный промежуток времени. По этим двум видам измерений мы можем понять, как именно темная энергия растянула пространство и как это повлияло на Вселенную в целом, а также насколько сильно она мешает материи склеиваться и образовывать разные хорошие штуки, например галактики, скопления галактик и нас самих.

Когда ты можешь измерять только два показателя, чтобы определить судьбу всей Вселенной, вполне логично, что ты к этому прилагаешь очень много усилий и пытаешься получить самые точные результаты. За последние пару десятков лет новыми телескопами стали интересоваться более активно, и появились новые методы, которые используются в том числе и для исследований темной энергии. Некоторые из них обещают особенно хорошо измерить расширение и изменение структуры и определить темную энергию с уравнением состояния W (мы об этом говорили в главе 5).

Если W = −1 ровно теперь и в прошлом, то у нас есть космологическая постоянная, а если измерения покажут любое другое значение — у нас будет куча Нобелевских премий. Но даже если на темную энергию вам плевать или вы пессимист и считаете, что мы будем вечно искать и так и не найдем ничего, кроме космологической устойчивой, — то все равно исследования темной энергии популярны среди астрономов всех категорий, потому что это общая миссия по сбору данных по галактикам.

В скором времени на свет появится Большой синоптический обзорный телескоп СОТ), который недавно переименовали в Обсерваторию имени Веры Рубин. Он — фантастический пример того, о чем я говорю. Этот телескоп диаметром 8,4 метра будет стоять на пике горы в Чили, фотографировать несколько сверхновых миллионов и 10 миллиардов галактик и каждые несколько дней выдавать нам новую картинку всего южного неба. Такая регулярная съемка — очень удобная вещь для изучения сверхновых, потому что так мы можем видеть, как растет и падает яркость каждой сверхновой в течение нескольких дней, когда можно увидеть взрыв. Но также с ним станет легче изучать галактики, ведь теперь можно будет ночь за ночью получать новые фотографии и находить на них более удаленные и менее заметные галактики, чем это возможно с любым другим телескопом.

(Отойду немного от темы. Я недавно была на конференции по планетарной обороне, на которой спикеры говорили о наблюдениях, которые нужны, чтобы заметить потенциально опасные астероиды, которые летят к нашей уязвимой планетке и могут столкнуться с ней. Обсерватория имени Веры Рубин в этом смысле революция. С ней мы по крайней мере на южной части неба сможем заранее замечать такие вещи, и возможно, так нам будет проще их остановить, мне нравится думать, что из-за того, что мы пытаемся понять темную энергию, способную уничтожить Вселенную в далеком будущем. у нас может появиться больше шансов спасти мир в близком).

Лаборатория
Фото: Лаборатория

Хотя для чего можно использовать этот телескоп, для космологов он просто бесценен: чем больше у нас точных данных, тем больше шансов найти что-то новое и удивительное. Пэрис считает, что он изменит все. «Мы посмотрим на Вселенную не так, как раньше, — говорит она. — А всякий раз, как мы смотрим на него так, как раньше не смотрели, мы узнаем что-то новое».

Обсерватория имени Веры Рубин — единственная перспективная программа наблюдений. В скором времени появится целый ряд других новых телескопов и методов, и каждый из них сможет нам показать космос таким, каким мы его еще не видели. Больше всего мы ждем класс новых космических телескопов — космический телескоп имени Джеймса Уэбба, телескоп «Эвклид» и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп WFIRST, который будет делать снимки глубокого космоса в инфракрасном диапазоне. С ним мы сможем увидеть галактики, расположенные так далеко, что весь их свет сместился из видимой части спектра в инфракрасную.

К игре темной энергии присоединились даже обсерватории, изучающие реликтовое излучение. В главе 2 мы говорили о том, как изучение этого излучения помогает нам узнавать новое о ранней Вселенной и происхождении структуры космоса. В тот период, когда оно излучилось, темная энергия не играла во Вселенной вообще никакой роли — чрезвычайная плотность материи и радиации полностью нивелировала ее влияние. Так что вас может удивить тот факт, что наблюдения за реликтовым излучением могут дать нам какую-то новую информацию о том, как темная материя ведет себя сегодня. Фокус состоит в том, что вся структура космоса, которую мы хотим изучать — каждая галактика и скопление галактик, лежит между нами и реликтовым излучением, и каждый из этих объектов своей гравитацией немного искривляет пространство.

Представьте, что вы сфотографировали камни на дне чистого озера. Даже если вы не знаете точно, где какой камешек должен лежать или какая именно у каждого из них форма — вероятнее всего, вы сможете на фото отличить совершенно спокойную воду и воду с рябью: вы увидите, что камни кажутся искривленными, потому что в общем понимаете, какой вид они обычно имеют. Здесь все так же. Мы так хорошо понимаем реликтовое излучение, что можем видеть небольшие искажения в его свете, вызванные разными штуками на его пути — по крайней мере, статистически. Это называется линзированием реликтового излучения, и это фантастический инструмент для изучения того, как росла структура космоса. Новые обсерватории, изучающие реликтовое излучение, помогут нам отточить этот метод, но мы и так уже с его помощью создали карту всей темной материи в видимой вселенной. Конечно, это карта с низким разрешением, она размыта и выглядит так, будто кто-то по памяти рисовал карту мира пальцем, но сам факт, что мы такое можем, впечатляет.

Космологиня из Университета Торонто Рене Гложек использует карты реликтового излучения и галактик, чтобы лучше изучить нашу космологическую модель. Ее очень интересует темная энергия и судьба Вселенной. По ее мнению, особенно мощные результаты мы получим, когда объединим данные из Обсерватории имени Веры Рубин и новых обсерваторий реликтового излучения через определенное время — с течением времени данные будут улучшаться. Мы можем использовать технику, которая называется взаимной корреляцией: взять данные о положении отдельных объектов из каталогов галактик и сравнить их с тем, что мы знаем о распределении материи в больших масштабах благодаря линзированию реликтового излучения. Это даст нам более точные результаты и не заметить отклонения от модели соответствия будет сложнее. Гложек говорит, что альтернативные теории, в которых изменения гравитации используются для того, чтобы имитировать влияние темной энергии, в этих объединенных данных будут ни на что не похожи. «По сути, им просто негде будет спрятаться».

Что еще можно увидеть классного, когда у тебя есть фото миллиардов галактик? Очень интересное дело: сильное гравитационное линзирование, при котором галактика или скопление галактик искривляют пространство вокруг так сильно, что свет от объекта за ними распадается на несколько изображений или распространяется в виде огибающей галактику дуги. Это все равно что смотреть на свечу через дно винного бокала. Вы увидите пламя в виде круга или дуги. Когда свет проходит через гравитационную линзу, траектория разных лучей искривляется и соответственно появляется на разных фото. Это означает, что если, например, в такой линзированной галактике взорвется сверхновая, мы сможем увидеть свет от взрыва на одном фото раньше, чем на другом — где ему придется пройти больший путь, чтобы дойти до нас.

Такие задержки во времени — не просто классный фокус для вечеринки, но и могут быть новым способом измерения ускорения расширения космоса: речь идет о таких больших расстояниях, что расширение становится важным фактором в вычислениях. И нам отчаянно нужны новые способы, как рассчитывать скорость ускорения, потому что с текущими методами все ответы удивительно разные.

В главе 5 мы говорили, что измеряя скорость расширения (также известную как постоянная Хаббла) по сверхновым — получаем одно число, а когда измеряем его по реликтовому излучению — второе. Результаты остальных измерений обычно отклонялись в одну или другую сторону, поэтому разрешить это противоречие не помогли едавно мы получили среднюю величину, но к сожалению, она не согласуется ни с одной из сторон). Измерение задержки, вызываемой гравитационным линзированием, может помочь решить нашу проблему, поскольку с появлением Обсерватории имени Веры Рубин количество систем, которые мы можем для этого использовать, возрастет с нескольких единиц до сотен. Такие инструменты измерения гравитационных волн, как ЛИГО (о нем говорили в главе 7), тоже могут дать нам новую информацию, а в следующем десятилетии или около того — стать такими точными, что мы наконец-то сможем решить этот вопрос раз и навсегда.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X