Торкнутися порожнечі. Вважаєте, що космологія — це занудно? Ми змінимо вашу думку одним уривком з книги

4 грудня 2021, 09:50
Книга Повний кінець *на думку астрофізиків (Фото:Лаборатория)

Книга Повний кінець *на думку астрофізиків (Фото:Лаборатория)

Рік тому Кейті Мак — теоретична космологиня, астрофізикиня і доцентка університету штату Північна Кароліна — опублікувала книгу Повний кінець *на думку астрофізиків, в якій розповідає про пʼять можливих сценаріїв кінця світу з наукової точки зору.

Щоб дізнатись, «куди все це котиться», вона поговорила з десятками колег-космологів і фізиків елементарних частинок; а її робота була названа найкращою книжкою 2020 року виданнями The Washington Post, The Economist, New Scientist, Publishers Weekly та The Guardian.

Відео дня

Нещодавно її книга була перекладена українською та опублікована видавництвом Лабораторія. НВ публікує уривок з неї, присвячений дослідженням темної енергії.

Торкнутися порожнечі

Я кщо ми хочемо щось дізнатися про далеке майбутнє космосу, варто розібратися з гігантським невидимим убивчим більмом на оці: темною енергією. Коли в 1998 році відкрили прискорене розширення Всесвіту, одразу з’явилася однозначна версія майбутнього: у ньому домінувала темна енергія, космос поступово спустошувався, ставав холоднішим і темнішим, і зрештою всі структури розпадалися й наставала неминуча теплова смерть. Але це лише екстраполяція, заснована на понятті, що темна енергія — незмінна космологічна стала. Як ми вже бачили, якщо за прискорення розширення космосу відповідає щось із категорії фантомної темної енергії чи якщо це щось колись зміниться — наслідки для космосу будуть драматично інакшими.

На жаль, ми не особливо можемо спостерігати за темною енергією. Наскільки нам відомо, вона невидима, її неможливо зафіксувати в лабораторних експериментах, вона повністю рівномірно розподілена у Всесвіті й помітити її можна тільки за тим, як вона непрямо впливає на Всесвіт у масштабах, куди більших за нашу галактику.

Загалом, вимірювати ми можемо дві речі. Перша — історія розширення космосу. Її ми зараз вивчаємо переважно так, що дивимось на дуже далекі наднові й рахуємо, як швидко вони від нас віддаляються. Друга — історія утворення структур. Тут структурами ми зазвичай називаємо галактики та скупчення галактик, бо для космологів зірки й планети — усього лише дрібнички, які тільки дратують і заважають. Це вже не можна виміряти напряму, зате можна активно залучати творчість у роботі з даними. Фокус у тому, щоб дістати зображення й спектри якомога більшої кількості галактик із гігантської ділянки космосу (і великого шматка його історії), а потім статистичними методами вивести, як уся ця матерія формувала ці структури за певний проміжок часу. За цими двома видами вимірювань ми можемо зрозуміти, як саме темна енергія розтягнула простір і як це вплинуло на Всесвіт у цілому, а також наскільки сильно вона заважає матерії склеюватись і утворювати різні хороші штуки, як-от галактики, скупчення галактик і нас самих.

Коли ти можеш вимірювати тільки два показники, щоб визначити долю всього Всесвіту, цілком логічно, що ти до цього докладаєш дуже багато зусиль і намагаєшся отримати якнайточніші результати. За останні пару десятків років новими телескопами стали цікавитись активніше, і з’явилися нові методи, які використовуються в тому числі й для досліджень темної енергії. Деякі з них обіцяють особливо добре виміряти розширення й зміну структури і так визначити темну енергію з рівнянням стану W (ми про це говорили в розділі 5).

Якщо W = −1 рівно тепер і в минулому, то в нас є космологічна стала, а якщо вимірювання покажуть будь-яке інше значення — у нас буде купа Нобелівських премій. Але навіть якщо на темну енергію вам начхати чи ви песиміст і вважаєте, що ми вічно шукатимемо й так і не знайдемо нічого, окрім космологічної сталої, — то все одно дослідження темної енергії популярні серед астрономів усіх категорій, бо це така собі загальна місія зі збору даних по галактиках.

Незабаром на світ з’явиться Великий синоптичний оглядовий телескоп (ВСОТ), який нещодавно перейменували в Обсерваторію імені Віри Рубін. Він — фантастичний приклад того, про що я кажу. Цей телескоп діаметром 8,4 метра буде стояти на піку гори в Чилі, фотографувати кілька мільйонів наднових і 10 мільярдів галактик та кожні кілька днів видавати нам нову картинку всього південного неба. Таке регулярне знімкування — дуже зручна річ для вивчення наднових, тому що так ми можемо бачити, як зростає і спадає яскравість кожної наднової протягом кількох днів, коли можна побачити вибух. Але також із ним стане легше вивчати галактики, адже тепер можна буде ніч за ніччю отримувати нові фотографії й знаходити на них віддаленіші й менш помітні галактики, ніж це можливо з будь-яким іншим телескопом.

(Відійду трішки від теми. Я нещодавно була на конференції з планетарної оборони, на якій спікери говорили про спостереження, котрі потрібні, щоб помітити потенційно небезпечні астероїди, що летять до нашої вразливої планетки й можуть із нею зіштовхнутись. Обсерваторія імені Віри Рубін у цьому сенсі — революція. З нею ми принаймні на південній частині неба зможемо заздалегідь помічати такі речі, і можливо, так нам буде простіше їх зупинити. Мені подобається думати, що через те, що ми намагаємося зрозуміти темну енергію, здатну знищити Всесвіт у далекому майбутньому, у нас може з’явитися більше шансів урятувати світ у близькому).

Лаборатория
Фото: Лаборатория

Хоч для чого можна використати цей телескоп, для космологів він просто неоціненний: що більше в нас точних даних, то більші шанси знайти щось нове й дивовижне. Періс вважає, що він змінить геть усе. «Ми подивимося на Всесвіт не так, як раніше, — говорить вона. — А щоразу, як ми дивимось на нього так, як раніше не дивилися — ми дізнаємося щось нове».

Обсерваторія імені Віри Рубін — геть не єдина перспективна програма спостережень. Незабаром з’явиться цілий ряд інших нових телескопів і методів, і кожен із них зможе нам показати космос таким, яким ми його ще не бачили. Найбільше ми чекаємо клас нових космічних телескопів — космічний телескоп імені Джеймса Вебба, телескоп «Евклід» і ширококутний інфрачервоний оглядовий телескоп WFIRST, який робитиме знімки глибокого космосу в інфрачервоному діапазоні. З ним ми зможемо побачити галактики, що розташовані так далеко, що все їхнє світло змістилося з видимої частини спектра в інфрачервону.

До гри темної енергії долучилися навіть обсерваторії, що вивчають реліктове випромінювання. У розділі 2 ми говорили про те, як вивчення цього випромінювання допомагає нам дізнаватися нове про ранній Всесвіт і походження структури космосу. У той період, коли воно випромінилось, темна енергія не відігравала у Всесвіті взагалі жодної ролі — надзвичайна щільність матерії й радіації повністю нівелювали її вплив. Тож вас може здивувати той факт, що спостереження за реліктовим випромінюванням можуть дати нам якусь нову інформацію про те, як темна матерія поводиться сьогодні. Фокус у тому, що вся структура космосу, яку ми хочемо вивчати — кожна галактика і скупчення галактик, лежить між нами та реліктовим випромінюванням, і кожен із цих об'єктів своєю гравітацією трішки викривлює простір.

Уявіть, що ви сфотографували камінці на дні чистого озера. Навіть якщо ви не знаєте точно, де який камінець має лежати чи яка саме в кожного з них форма — найімовірніше, ви зможете на фото відрізнити абсолютно спокійну воду і воду з брижами: ви побачите, що камінці видаються викривленими, бо загалом розумієте, який вигляд вони мають зазвичай. Тут усе так само. Ми так добре розуміємо реліктове випромінювання, що можемо бачити невеличкі викривлення в його світлі, спричинені різними штуками на його шляху — принаймні статистично. Це називається лінзуванням реліктового випромінювання, і це фантастичний інструмент для вивчення того, як росла структура космосу. Нові обсерваторії, які вивчають реліктове випромінювання, допоможуть нам відточити цей метод, але ми й так уже з його допомогою створили карту всієї темної матерії у видимому всесвіті. Звісно, це карта з низькою роздільною здатністю, вона розмита й має такий вигляд, ніби хтось по пам’яті малював карту світу пальцем, але сам факт, що ми таке можемо, вражає.

Космологиня з Університету Торонто Рене Гложек використовує карти реліктового випромінювання й галактик, щоб краще вивчити нашу космологічну модель. Її надто цікавить темна енергія й доля Всесвіту. На її думку, особливо потужні результати ми отримаємо, коли об'єднаємо дані з Обсерваторії імені Віри Рубін і нових обсерваторій реліктового випромінювання через певний час — адже з плином часу дані поліпшуватимуться. Ми можемо використати техніку, яка називається взаємною кореляцією: узяти дані про положення окремих об'єктів із каталогів галактик і порівняти їх із тим, що знаємо про розподіл матерії у великих масштабах завдяки лінзуванню реліктового випромінювання. Це дасть нам точніші результати, і не помітити відхилення від моделі відповідності буде складніше. Гложек каже, що альтернативні теорії, у яких зміни гравітації використовуються для того, щоб імітувати вплив темної енергії, у цих об'єднаних даних будуть ні на що не схожі. «По суті, їм просто не буде де сховатися».

Що ще можна побачити класного, коли в тебе є фото мільярдів галактик? Дуже цікаву річ: сильне гравітаційне лінзування, при якому галактика чи скупчення галактик викривлюють простір довкола так сильно, що світло від об'єкта за ними розпадається на кілька зображень чи поширюється у вигляді дуги, що огинає галактику. Це все одно, що дивитися на свічку через дно винного келиха. Ви побачите полум’я у вигляді круга чи дуги. Коли світло проходить через гравітаційну лінзу, траєкторія різних променів викривлюється й відповідно з’являється на різних фото. Це означає, що коли, наприклад, у такій лінзованій галактиці вибухне наднова, ми зможемо побачити світло від вибуху на одному фото раніше, ніж на іншому — де йому доведеться пройти більший шлях, щоб дійти до нас.

Такі затримки в часі — не просто класний фокус для вечірки, а й можуть бути новим способом вимірювання прискорення розширення космосу: тут ідеться про такі великі відстані, що розширення стає важливим фактором в обчисленнях. І нам відчайдушно потрібні нові способи, як розраховувати швидкість прискорення, тому що з поточними методами всі відповіді на диво різні.

У розділі 5 ми говорили, що вимірюючи швидкість розширення (також відому як сталу Габбла) за надновими — отримуємо одне число, а коли вимірюємо його за реліктовим випромінюванням — друге. Результати решти вимірювань зазвичай схилялися на один чи інший бік, тож розв’язати цю суперечність не допомогли. (Нещодавно ми отримали середню величину, але на жаль, вона не узгоджується з жодною зі сторін). Вимірювання затримки, яку викликає гравітаційне лінзування, може допомогти розв’язати нашу проблему, оскільки з появою Обсерваторії імені Віри Рубін кількість систем, які ми можемо для цього використовувати, зросте з кількох одиниць до сотень. Такі інструменти вимірювання гравітаційних хвиль, як ЛІГО (про нього говорили в розділі 7), теж можуть дати нам нову інформацію, а в наступному десятилітті чи близько того — стати такими точними, що ми нарешті зможемо розв’язати це питання раз і назавжди.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X