Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Существует несколько различных сценариев того, что нас ожидает. Первый и самый скучный вариант развития событий такой: все новые наблюдения прекрасно совпадают с космологической постоянной. Означает ли это полный отказ от всех альтернатив? К сожалению, нет. У всех моделей квинтэссенции есть кнопочки и рычажки, с которыми можно поэкспериментировать. Во многих из них можно настроить все так, что квинтэссенция будет похожа на космологическую постоянную в нужной нам степени. Таким образом, невозможно окончательно заключить, что мы имеем дело с космологической постоянной, основываясь только на наблюдениях за Вселенной. Тогда вся надежда на микроскопический квантовый мир. Не исключено, что появится более совершенная теория, подробно объясняющая, почему космологическая постоянная именно такая. Или, может быть, в ЦЕРНе обнаружат суперсимметрию, и, возможно, суперсимметрия откроет скалярные поля, которые дадут нам совершенно естественную квинтэссенцию. Кто знает?

В ходе другого, гораздо более захватывающего сценария благодаря усовершенствованным наблюдениям за Вселенной может выясниться, что темная энергия — это никак не космологическая постоянная. Возможно, тогда люди всерьез возьмутся за ускорение Вселенной. Может, наблюдения проложат дорогу к экзотической физике, которая включит в себя дополнительные измерения или скатывающиеся скалярные поля, и, возможно, это, в свою очередь, поможет физикам, изучающим элементарные частицы и стремящимся понять квантовый мир.

Надеяться на то, что крупные масштабы дадут нам необходимые ответы, не стоит. Альтернативные теории гравитации и дополнительные измерения, кстати, предсказывают эффекты, которые можно проверить и в нашей Солнечной системе. Например, модель DGP дает несколько иные прогнозы движения перигелиев внешних планет, нежели стандартная общая теория относительности. Расхождения слишком малы, чтобы провести четкое разграничение между моделями сегодня, но, возможно, это удастся сделать в последующие годы.

Ситуация на сегодняшний день такова, что модели темной энергии пока являются наиболее популярными для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Как и с темной энергией, кажется, гораздо проще впихнуть что-то новое во Вселенную, чем менять законы притяжения. С каждым годом новые наблюдения все сильнее приближают нас к пониманию ускоренного расширения Вселенной. Благодаря разрабатывающимся масштабным проектам, например «Евклиду», будущее темной энергии выглядит весьма светлым. Но нельзя исключить, что решения этой загадки придется ждать еще долгие годы.

Мне хотелось бы упомянуть еще об одной теории. Не потому, что я в нее верю, а просто потому, что это интересный и забавный пример, в котором еще и мораль присутствует.

Допустим, Вселенная не расширяется с ускорением. Не существует никакой темной энергии или больших дополнительных измерений, а в уравнениях Эйнштейна все сходится. Тем не менее нельзя забывать про наблюдения сверхновых и угловых размеров стандартных линеек. Как связать все это воедино? Давайте в первую очередь разберемся со сверхновыми. Разве сверхновые не показали нам, что Вселенная сегодня расширяется быстрее, чем раньше? Нет, они говорят об этом не напрямую. Сейчас объясню.

Наблюдая за далекими сверхновыми, мы заглядываем в прошлое. Именно этот эффект мы и используем для картографирования истории Вселенной. Но далекая сверхновая звезда показывает нам Вселенную не только такой, какой она была раньше, но и такой, какой она была где-то еще. Мы не можем взглянуть в прошлое, не увидев в то же время Вселенную в другом месте. А еще невозможно наблюдать за Вселенной в другом месте, не заглядывая при этом в прошлое.

Когда мы использовали сверхновые для выяснения истории Вселенной, то предполагали, что она по большому счету везде одинаковая. Мы предположили, что далекие сверхновые находятся в той части Вселенной, которая не отличается от нашей. Мы обнаружили, что в местах взрыва сверхновых расширение Вселенной происходило быстрее, чем сейчас около нас. Согласно нашим предположениям, различные скорости расширения обусловлены различием эпох. Но не связано ли видимое ускорение с тем, что мы смотрели на Вселенную в разных местах? И что отдаленные ее места ведут себя иначе, чем близкие?

Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что Вселенная выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

Но это совсем не значит, что Вселенная одинакова повсюду. Например, мы можем представить Землю в центре огромной пузыреобразной структуры во Вселенной. Около нас материя заполняет пространство не так плотно, но, если двигаться к границам пузыря, плотность материи увеличится. Из центра пузыря, где мы находимся, Вселенная может показаться одинаковой во всех направлениях. Но видимость обманчива.

В 2006 году трое норвежских исследователей — Ховард Ал- нес, Морад Амарцгиуи и Эйвинд Грён — опубликовали захватывающую статью. В ней они проанализировали наблюдения за вспышками сверхновых, исходя из предположения о том, что мы находимся в центре своеобразного пузыря, в котором плотность ниже, чем снаружи. В статье им удалось объяснить наблюдения, не прибегая к темной энергии и ускоренному расширению Вселенной. Как мы помним, чем больше материи, создающей гравитацию, тем сильнее замедляется расширение Вселенной. В неоднородной Вселенной в различных местах возможны различные скорости расширения. В местах большего скопления материи расширение медленнее, чем в более разреженных. Тогда если мы окажемся в центре менее плотного пузыря и посмотрим наружу, то с перемещением в пространстве и времени увидим все более плотные части Вселенной. Чем более далекие сверхновые мы видим, тем плотнее Вселенная и тем медленнее она будет расширяться. Чем ближе к нам сверхновые во времени и пространстве, тем быстрее расширяется Вселенная. То, что мы ранее интерпретировали как ускоренное расширение Вселенной, в этой модели объясняется тем фактом, что мы находимся в определенном месте во Вселенной.

Модель интересна и вполне привлекательна, ведь она способна описать наши наблюдения без привлечения новой неизвестной сущности. Тем не менее у нее не так уж и много последователей, да и сами авторы статьи больше склонны к идее темной энергии. Все дело в том, что модель пузыря создает кучу серьезных проблем. И хотя космический пузырь неплохо согласуется с наблюдениями сверхновых, у него возникают большие проблемы, когда дело доходит до реликтового излучения. Модель также не в силах объяснить наблюдения интегрального эффекта Сакса — Вульфа (эффект исчезнувшего горнолыжного склона). Еще одна проблема заключается в том, что модель размещает нас в весьма особом месте — ровно в середине огромного пузыря. Те же ученые исследовали в более поздней статье, насколько близко мы должны быть к центру пузыря, чтобы наблюдения соответствовали модели. Оказалось, что при перемещении в случайное место внутри космического пузыря вероятность оказаться настолько близко к центру, чтобы результаты наблюдений были верными, составляет всего один к миллиону. Таким образом, для того чтобы считать модель состоятельной, необходимо очень точное совпадение факторов, и трудно представить себе причину, которая приведет нас в самую сердцевину такого пузыря.

Несмотря на проблемы, у этой модели имеется мораль: выдвигая гипотезы, следует мыслить трезво. Вывод об ускоряющемся расширении Вселенной основан на предположении, что Вселенная везде одинакова. И хоть это и кажется вполне разумным, альтернативные варианты исключать нельзя.

3.5. Участь Вселенной

А что произойдет с нашей Вселенной в будущем? Будет ли она существовать вечно? Ответы на эти вопросы зависят от природы темной энергии. Давайте рассмотрим три различных сценария: вечное расширение, Большой хлопок вследствие коллапса или же Большой разрыв и гибель Вселенной.