Леонард Сасскинд - Космический ландшафт
Поскольку космологическая постоянная добавляет силу отталкивания к закону всемирного тяготения, её наличие должно влиять на характер расширения Вселенной. В начальной фазе расширения влияние космологической постоянной практически не заметно, но по мере увеличения расстояния между галактиками сила отталкивания, создаваемая космологической постоянной, становится сопоставимой с силой притяжения. В конце концов космологическая постоянная способна привести к хаббловскому расширению Вселенной со всё увеличивающейся скоростью.
Обратим наш кинофильм вспять. Теперь галактики падают друг на друга, но сила отталкивания между ними ослабевает с уменьшением расстояния, а значит, наша оценка относительных скоростей галактик окажется завышенной, особенно для конечной стадии падения. Если не учесть вклад энергии вакуума, оценка времени, необходимого для падения всех галактик в общую кучу, окажется заниженной. Другими словами, если бы в закон тяготения действительно входила космологическая постоянная, а мы бы не знали об этом, то наш расчёт привёл бы к возрасту Вселенной меньшему, чем на самом деле. И в самом деле, если мы добавим к общей массе Вселенной энергию вакуума, эквивалентную 30 массам протона на кубический метр, то вместо прежних 10 миллиардов лет получим оценку возраста Вселенной в 14 миллиардов лет. А этот возраст уже прекрасно согласуется с данными наблюдений, поскольку он на миллиард лет превышает возраст самых старых звёзд.
Эти доводы в пользу существования ненулевой космологической постоянной настолько важны, что я хочу их повторить. Итак, предположение о существовании небольшой космологической постоянной, добавляющей 70 % к энергии Вселенной, решает две крупнейшие загадки космологии. Во-первых, этой дополнительной энергии достаточно, чтобы сделать Вселенную плоской, что снимает противоречие между наблюдаемой нулевой кривизной пространства и тем фактом, что известной массы Вселенной недостаточно, чтобы сделать её плоской.
Второй парадокс, снимаемый космологической постоянной, – возраст самых старых звёзд, которые оказываются старше Вселенной. Удивительно, что добавка тех же самых семидесяти процентов энергии вакуума, которые необходимы для того, чтобы сделать Вселенную плоской, приводит к тому, что Вселенная оказывается на миллиард лет старше самых старых звёзд.
Сверхновые I типа
В последние десятилетия нам удалось значительно повысить точность датировки основных событий в жизни Вселенной. Сегодня мы знаем историю Вселенной очень подробно. В этом нам помог особый класс событий, называемых вспышками сверхновых I типа. Вспышка сверхновой – это космический катаклизм, в ходе которого умирающая звезда коллапсирует под действием собственного гравитационного поля, превращаясь в нейтронную звезду и освобождая колоссальное количество энергии. В максимуме вспышки сверхновая сияет, как целая галактика. Поэтому вспышки сверхновых легко регистрируются даже в самых удалённых галактиках.
Все сверхновые представляют интерес для науки, но вспышки сверхновых I типа имеют одну существенную особенность. Они происходят в тесных двойных системах, где один из компонентов представляет собой обычную звезду, а второй является белым карликом. Белый карлик – умирающая звезда, массы которой недостаточно, чтобы сколлапсировать в нейтронную звезду.
В тесной двойной системе часть вещества обычной звезды постепенно перетекает на белый карлик, медленно увеличивая его массу. Как только масса белого карлика достигнет определённого предела, при котором он уже не может оставаться стабильным, белый карлик коллапсирует в нейтронную звезду; этот процесс сопровождается вспышкой сверхновой I типа. Поскольку финальный коллапс и сопровождающая его вспышка происходят при достижении белым карликом строго определённой массы, считается, что энергия, выделяемая при вспышке, всегда одна и та же и не зависит от начальных масс белого карлика или его компаньона. Поэтому астрономы уверены, что все сверхновые I типа имеют одну и ту же светимость.[55] Это позволяет астрономам определять расстояния до сверхновых I типа с высокой точностью.
Скорость галактики, в которой вспыхнула сверхновая, можно определить по доплеровскому смещению спектральных линий. А зная точные расстояния до галактик и их скорости, мы можем с высокой точностью вычислить значение постоянной Хаббла. Но особенность далёких галактик состоит в том, что свет, который мы сегодня регистрируем на земле, был излучён ими в далёком прошлом. Если расстояние до галактики составляет 5 миллиардов световых лет, значит, мы видим эту галактику такой, какой она была 5 миллиардов лет назад. Когда мы измеряем постоянную Хаббла для такой галактики, мы получаем то её значение, которое было 5 миллиардов лет назад.
Исследуя галактики, находящиеся на различных расстояниях, мы тем самым изучаем историю изменения постоянной Хаббла. Иными словами, сверхновые I типа позволяют нам многое узнать об истории Вселенной на различных этапах её эволюции. А самое главное, это позволяет нам сравнивать историю реальной Вселенной с математическими моделями, включающими и не включающими космологическую постоянную. Результаты не оставляют сомнений: расширение Вселенной ускоряется под влиянием космологической постоянной. Для таких физиков, как я, это потрясающий поворот судьбы, способный радикально изменить наш взгляд на мир: после полувековых попыток объяснить, почему энергия вакуума должна быть равна нулю, вдруг узнать, что она не ноль! Первые сто девятнадцать десятичных знаков космологической постоянной оказываются равны нулю, и вдруг в сто двадцатом появляется отличная от нуля цифра. Ещё более интересно, что её значение оказалось почти тем, которое предсказал Вайнберг, основываясь на антропном принципе!
Свет творения
Из-за того, что свет движется с конечной скоростью, большие телескопы, позволяющие заглянуть на огромные расстояния, показывают нам далёкое прошлое. Мы видим Солнце таким, каким оно было 8 минут назад, ближайшую звезду – такой, какой она была 4 года назад. Когда свет от ближайшей к нам галактики Андромеды, который мы видим сегодня, начал своё путешествие продолжительностью в два миллиона лет, наши далёкие предки только-только освоили прямохождение.
Самый древний свет, который мы регистрируем на Земле, начал своё путешествие 14 миллиардов лет назад. Этот свет возник, когда не существовало ещё не только Земли, но даже самых старых звёзд во Вселенной, а водород и гелий ещё не начали образовывать сгущения, из которых впоследствии сформировались галактики. Температура и плотность вещества Вселенной были в то время столь большими, что все атомы находились в ионизованном состоянии. Это был самый ранний момент творения, который мы способны увидеть, по крайней мере, используя электромагнитное излучение.
Представьте Вселенную в виде набора концентрических сферических оболочек, в самом центре которого находится Земля. Разумеется, никаких концентрических оболочек на самом деле нет, но ничто не запрещает нам разделить окружающее нас пространство таким способом. Каждая следующая оболочка находится от нас дальше предыдущей, и каждую следующую оболочку мы видим в более ранний момент времени, чем предыдущую. Проникая взглядом всё дальше и дальше, мы как бы видим историю Вселенной в виде запущенного задом наперёд кинофильма.
Чем дальше мы смотрим, тем более плотно населённая галактиками Вселенная предстаёт нашему взгляду. В запущенном задом наперёд вселенском кино вещество становится всё более плотным, будто бы гигантский поршень спрессовывает его всё сильнее и сильнее. Этим поршнем, разумеется, является гравитация. Кроме того, по мере сжатия меняются свойства материи: она становится всё горячее по мере того, как увеличивается её плотность. Сегодня средняя температура Вселенной всего 3 градуса выше абсолютного нуля, или –270 °C. Но по мере того, как мы углубляемся в прошлое, температура Вселенной растёт – сначала до комнатной, потом до температуры кипения воды и, наконец, достигает температуры солнечной поверхности.
Температура Солнца настолько высока, что составляющие его атомы покидают солнечную фотосферу в результате интенсивного теплового движения. Атомные ядра при этой температуре остаются нетронутыми, но наиболее слабо связанные электроны отрываются от атомов и образуют вместе с потерявшими их ионами проводящий электричество газ, называемый плазмой.[56]
Электропроводящие материалы, как правило, непрозрачны. Свободно движущиеся электроны с лёгкостью поглощают или рассеивают свет. Именно интенсивное рассеяние света плазмой делает солнечную фотосферу непрозрачной. Однако по мере удаления от центра Солнца наступает такой момент, когда температура и плотность солнечного вещества падают настолько, что вещество становится прозрачным. В этом состоит причина, по которой мы видим резкую границу солнечного диска.
