Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
И галактик паутина
Расползается во мгле.
Тьма настала неспроста:
Победила пустота…
Сергей Горбушин, «Вакуум»
Постоянная Хаббла, фигурирующая в одноименном законе, открытом в конце двадцатых годов двадцатого века, проверяется и уточняется до сих пор. Определить скорость убегания галактики от нас можно с достаточно высокой точностью по эффекту Доплера — смещению линий в спектре галактики. Каждая такая линия — это суммарный вклад гигантского количества самых разных звезд в галактике, свет которых попал в щель спектрографа телескопа, поэтому линии оказываются расширенными. Но их сдвиг в сторону более длинных (красных) волн регистрируется достаточно уверенно. Что же касается второй величины, входящей в выражение закона Хаббла, — расстояния до галактики, то здесь астрономы сталкиваются с большими трудностями.
Как определить расстояние до ближайших галактик? Мы уже рассматривали этот вопрос, но не лишним будет кое-что повторить. Сам Эдвин Хаббл и его ближайшие последователи применили метод «стандартных свеч». Если в галактике есть объект, истинная яркость которого известна (стандартная свеча), то по его наблюдаемой яркости нетрудно вычислить расстояние до свечи, а значит, и до галактики, в которой свеча находится. Для близких галактик стандартными свечами служили цефеиды — своеобразные «маяки Вселенной», как их романтично называли в ХХ веке научные журналисты.
Телескоп имени Хаббла в космосе. Диаметр зеркала — 2,4 м. Находится на орбите с 1990 года, за это время произведено пять пилотируемых полетов для обслуживания и ремонта телескопа. В 2016 году НАСА продлило программу «Хаббл» еще на пять лет, до 2021 года, отметив, что телескоп находится в отличном техническом состоянии.
Интересно, что представитель любой страны, человек или организация, может получить возможность работы с телескопом, достаточно пройти конкурс заявок.
Этот метод отлично работал для сравнительно близких галактик. Но в далеких галактиках, которые выглядят на небе всего лишь как еле заметные туманные пятнышки, выделить отдельные цефеиды невозможно: даже в современные телескопы увидеть их не получается. Нужно было найти другие «стандартные свечи».
В 1977 году московский астроном Юрий Павлович Псковский (1926–2004) предложил в качестве подобных свеч так называемые сверхновые типа Iа. В конце своей жизни звезды иногда взрываются. Существует несколько возможных механизмов таких взрывов. Считается, что феномен сверхновых Iа порождается термоядерным взрывом звезды типа белый карлик[65], на которую ее тяготением перетягивается газ с соседней менее плотной звезды. Такие взрывы оказались полезны как стандартные свечи по двум причинам.
Во-первых, сверхновые этого типа чрезвычайно ярки — светимость сверхновой сопоставима с суммарным свечением миллиардов звезд галактики, поэтому ее легко заметить даже в крайне удаленных галактиках.
Во-вторых, светимость такой сверхновой в максимуме блеска всегда оказывается примерно одинаковой. Кроме того, максимальную светимость удается уточнить по наклону кривой, отражающей падение блеска сверхновой со временем. Поэтому подобные объекты отлично подходят на роль новых «стандартных свеч».
Процесс аккреции на звезду типа белый карлик — перетягивания вещества с соседней звезды. Взрыв сверхновой типа Iа обычно происходит в двойной звездной системе, вращающейся вокруг общего центра масс, один из компонентов которой — белый карлик. Длительность процесса аккреции исчисляется десятками тысяч лет. При этом перетекающее вещество образует диск. В момент, когда масса белого карлика превышает критическую, происходит взрыв сверхновой. Сверхновые имеют одинаковую светимость из-за близкой массы белых карликов.
И хотя звезды взрываются крайне редко, наблюдаемая часть Вселенной огромна. Мы можем одновременно наблюдать громадное количество галактик, и где-то — то в одной, то в другой из них — постоянно вспыхивают сверхновые, в том числе и нужного типа.
В конце ХХ века астрономы занимались такими наблюдениями, используя самые крупные телескопы. Поиск сверхновых в самых далеких галактиках позволял продолжать график закона Хаббла в область все больших скоростей убегания (больших красных смещений) и огромных расстояний.
В числе научных команд, которые вели такие проекты, необходимо назвать группу американских астрофизиков под руководством Сола Перлматтера. Позже к наблюдениям подключилась еще одна американская команда, которой руководили Брайан Шмидт и Адам Рисс. Астрономы использовали данные космического телескопа имени Хаббла, а также крупнейшего сдвоенного наземного телескопа Кека с 10-метровыми зеркалами, сооруженного на Большом острове Гавайского архипелага.
Крупнейший сдвоенный наземный телескоп Кека с 10-метровыми зеркалами расположен на Большом острове Гавайского архипелага.
В 1998 году группа Шмидта и Рисса опубликовала поразительные данные. Судя по результатам обработки 16 сверхновых, наблюдавшихся чрезвычайно далеко, при гигантских красных смещениях яркость сверхновых оказалась ниже, чем можно было ожидать исходя из оценки расстояния. Отсюда следовало, что сверхновые (а значит, и галактики, в которых они взорвались) были дальше, чем предсказывал закон Хаббла. Точки на графике ложились выше ожидаемого — график искривлялся кверху!
Это означало, что исследованные далекие галактики удаляются от нас быстрее ожидаемого, линейность закона Хаббла явно нарушалась. Значит, эти галактики не просто удаляются, но удаляются с ускорением. Но даже из школьной (ньютоновской) физики мы помним: если есть ускорение, значит, действует какая-то сила!
Через год команда Перлматтера опубликовала данные по результатам собственных наблюдений 42 далеких сверхновых. Получилось то же самое: удаление галактик происходит с ускорением. Что-то подгоняет галактики, заставляя их разбегаться со все большей скоростью. Что-то существует во Вселенной, что работает в режиме антитяготения. Эта сила невелика на близких расстояниях, но нарастает при больших масштабах.
График расширения Вселенной с ускорением, нарушения линейности закона Хаббла, по данным 1998 года.
В 2011 году Рисс, Перлматтер и Шмидт получили за свое открытие Нобелевскую премию по физике. Конечно же, другие группы астрономов бросились проверять своих коллег. Все было правильно: Вселенная расширяется с ускорением.
Это было действительно неожиданное открытие.
К моменту открытия Хабблом разбегания галактик существовали теоретические разработки Фридмана о возможности расширения или сжатия Вселенной. Считая Вселенную стационарной, Эйнштейн боролся с ее нестационарностью при помощи своей космологической постоянной — она должна была противодействовать гравитации. Но в принципе идея нестационарной Вселенной к моменту открытия Хаббла не была неожиданной для исследователей. К моменту открытия реликтового излучения его основные свойства уже были известны и спрогнозированы командой Гамова, а также Дорошкевичем и Новиковым. Феномен излучения был предсказан.
Что же касается ускоренного расширения Вселенной, то этого практически никто не ожидал. Этот факт резко изменял наши представления о мире. И действительно: если до этого продолжались дискуссии, может ли Вселенная притормозить свое расширение и начать сжатие, конечна Вселенная или нет, факт ускоренного расширения сразу дал окончательные ответы на эти вопросы. Стало
