Майкл Брукс - Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла
Невероятно, но факт: полная четверть вселенской массы для нас даже не темный лес, а просто тьма непроглядная. Остается утешать себя тем, что эту «неявную» долю удалось хотя бы вовремя заметить. В противном случае даже представить трудно, что сотворилось бы в головах ученых в 1997 году, как только была обнаружена очередная брешь в мироздании. Если темная материя оказалась крепким орешком, то открытие темной энергии стало без малого катастрофой для теоретической физики.
Допустим, что открытое Хабблом расширение Вселенной — непреложный факт. Тогда сразу возникают два вопроса. Первый: с какой скоростью идет процесс? Второй: будет ли он идти и дальше?
На первый вопрос ответ дает измерение скоростей разбегающихся галактик и их расстояний от Земли. Однако нельзя просто подсчитать, насколько быстро галактика уносится прочь, и объявить полученную величину коэффициентом расширения: реальное поведение Вселенной противоречит здравому смыслу. Чем дальше от нас галактика, тем проворнее она убегает, потому что пространство между нею и Землей увеличивается тоже. Коэффициент расширения исчисляется так называемой постоянной Хаббла; ее сейчас считают близкой к 70 кмсек/Мпк (мегапарсек — около 3,2 млн световых лет). Для нашего рассказа довольно и такого приближения: ведь любые цифры после запятых всегда меняются с совершенствованием измерительной техники.
Ответ на второй вопрос выглядит гораздо интереснее во многих отношениях. Если Вселенная продолжает разбегаться после Большого взрыва, этот процесс неизбежно должен тормозиться: против него, по идее, работает гравитация всей космической материи. Таким образом, наша будущность во вселенской перспективе зависит от того, сколько там вещества и как оно распределено.
Кое-что об этом космологам уже известно благодаря одному простейшему наблюдению: мы с вами существуем. Чтобы Вселенная начала свой разлет из сверхплотной раскаленной точки, ей нужен был импульс энергии определенной величины. Окажись он чрезмерно мощным, и тогда бы любая образующаяся материя «размазалась бы тонким слоем» — настолько дисперсным, что гравитация, вполне возможно, не смогла бы слепить атомную пыль в звезды и галактики. Значит, и жизнь не зародилась бы, и не возникло бы человечество. По мере распространения материи от центра притяжение продолжало бы слабеть, а центробежная сила, напротив, доминировала бы все больше. И пошла бы Вселенная вразнос задолго до образования в ней сколько-нибудь сложных объектов и высокоорганизованных систем, не говоря уже о людях.
Если бы энергия расширения, наоборот, была слишком мала, то гравитация сжимала бы вещество в ходе обратного цикла; центростремительный импульс нарастал бы вместе с уплотнением. В конце концов ткань Вселенной «схлопнулась» бы, как выражаются астрономы, в Большом коллапсе.
Этот пороговый эффект энергии для так называемой Вселенной Златовласки — зоны, где условия в самый раз подходят для зарождения жизни и разума, — неизбежно должен распространяться и на массу, требуя строго определенной плотности материи в гравитационном поле. Отношение сил притяжения и отталкивания во Вселенной космологи условно обозначают символом омега. При Ω = 1, что соответствует всего лишь массе шести атомов водорода на кубический метр Вселенной (для сравнения: в кубометре воздуха, которым мы дышим, содержится, в грубом приближении, 1025, или десять септиллионов, атомов), гравитация более или менее устойчиво уравновешивает центробежную силу.
Согласно теории образование звезд и галактик становится возможным, начиная с омеги в одну квадриллионную долю единицы. А в силу циклической обратной связи равновесное начало ведет к сохранению равновесия в дальнейшем. Если теоретики правы, сегодня величина омеги должна оставаться близкой к единице. Проблема в том, что во всей Вселенной для этого не наберется материи — ни темной, ни какой-либо другой.
Именно этот момент совершенно неожиданно возвратил к жизни космологическую константу Эйнштейна. Ее, казалось, окончательно похоронил триумф хаббловской концепции разбегающейся Вселенной. Уравнения ОТО перестали нуждаться в натяжке ради обоснования вселенского равновесия, и к 1930 году антигравитационная сила превратилась в типичную избыточную сущность, годную лишь для смущения умов. Кто мог бы тогда предположить, что без малого семьдесят лет спустя она вновь заявит о себе, превратившись в призрак темной энергии?
В тридцатые годы астрономы впервые заинтересовались омегой как оракулом для предсказания судьбы Вселенной. Если омега действительно равна единице, то расширение будет продолжаться прежними темпами. Если теоретики ошиблись и Ω < 1, то сила, стоящая за расширением Вселенной, продолжит нарастать и материя будет «истончаться». Если же омега окажется больше единицы, то в конечном счете победит гравитация и Вселенную ждет Большой коллапс.
Сперва астрономы попробовали подступиться к омеге с инструментарием Хаббла и Слайфера, анализируя свечение галактик. Но из-за бесчисленного множества отдельных источников света в каждой из них положиться на такой метод нельзя: это все равно что для лингвиста — изучать фонемы, вслушиваясь в гомон разноплеменной толпы болельщиков на футбольном матче. Ученым нужен был единичный объект с измеримыми свойствами, из коих можно делать дальнейшие выводы. В 1987 году такой объект был найден. Чтобы узнать участь Вселенной, надо заняться сверхновыми — взрывающимися звездами.
Люди столетиями наблюдали их в небесах; об одной такой вспышке сообщил датский астроном Тихо Браге еще в 1572 году, за тридцать с лишним лет до изобретения телескопа. Звезда становится сверхновой, когда ее масса превышает критический размер и разрушается под собственной тяжестью. В течение нескольких земных недель или месяцев, пока гибнущее светило превращается в нейтронную звезду или даже в черную дыру, оно пылает в десятки миллиардов раз ярче и жарче, чем наше Солнце. Подобную картину земляне наблюдали, например, в понедельник 23 февраля 1987 года. Взрыв голубого сверхгиганта под названием Сандулик-69202 в галактике Большое Магелланово Облако получил широкую известность по двум причинам. Во-первых, это самая мощная вспышка сверхновой, отмеченная с 1604 года. Во-вторых, она впервые дала стандарты для измерения расстояний в космосе.
Вспышки некоторых сверхновых — их обозначают как тип Ia (или SN Ia) — имеют специфические характеристики, чрезвычайно важные для астрономов. Звезды этого типа взрываются, потому что своим притяжением «высосали» слишком много вещества из соседних небесных тел. Проанализировав световой спектр такой вспышки и скорость ее затухания, можно определить, какое расстояние свет прошел до Земли и насколько сильно его на этом пути «растянуло» расширение Вселенной.
Единственное неудобство такого метода — слишком тесные временные рамки. В изучении сверхновых без синхронизации не сделать ни шагу. Если хотите добыть действительно ценную информацию, ее поиски должны уложиться в считанные недели с того момента, как свет вспышки дошел до Земли. А поскольку взрыв сверхновой в какой-нибудь галактике случается примерно раз в сто лет, необходим постоянный телескопический мониторинг несметного множества звездных скоплений.
Тяготы этого монотонного труда — давнишняя головная боль астрономов. Скажем, в обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе можно познакомиться с утомительными методами наблюдений, практиковавшимися в дни Слайфера. Он, изучая Плутон, пользовался астрономической версией игры «найди разницу». Два фотоснимка одного и того же участка звездного неба, сделанные в разные ночи, помещаются в устройство под названием «блинк-компаратор», снабженное окуляром с подвижной заслонкой. Затем надо внимательно рассматривать снимки, чередующие друг друга. Побеждает тот, кто укажет единственную светлую точку среди множества других, меняющую положение от снимка к снимку. Это мигающее пятнышко и есть искомая планета.
Хорошо, что на фотографиях, выставленных в музее обсерватории Лоуэлла, кто-то догадался пририсовать к мерцающей точке жирную белую стрелку. Конечно же, современная технология обработки цифровых изображений несравненно облегчает локализацию сверхновых: сегодня компьютер сопоставит за нас фотографии, сам установит различия между ними и даст все нужные подсказки. Некоторые находки окажутся на поверку астероидами, другие — пульсацией черных дыр в центрах галактик; еще один вид ложных сигналов — яркие следы от субатомных частиц, бомбардирующих земную атмосферу. И лишь изредка обнаружится среди них свет далекой «лопнувшей» звезды.
Первые ценные интерпретации данных о ярчайшей сверхновой представила в июне 1996 года группа сотрудников Национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса при Калифорнийском университете в Беркли (или, как нередко сокращают специалисты, Лоуренс-Беркли). Об этом было объявлено на космологической конференции по случаю 250-летия Принстонского университета, приемной альма-матер Эйнштейна. Весьма удачный, как выяснилось, повод воскресить космологическую константу.
