Властивості всесвітів, що розширюються. Швидкість розширення Всесвіту – завдання для космологів

Про складні теорії простою мовою.

Сьогодні вранці помер відомий фізик та популяризатор науки Стівен Хокінг. Вчений займався космологією та квантовою гравітацією.

Ми розповідаємо простою мовою про основні відкриття Хокінга, які змінили науку.

1. Випромінювання Хокінга

   Хокінг розробив теорію про те, що чорні дірки «випаровуються» за рахунок особливого випромінювання, яке потім назвали його ім'ям.

   До цього відкриття вчені вважали, що чорні нічого не випромінюють, а лише поглинають. Він довів, що чорні дірки не зовсім чорні, тому що випромінюють залишкову радіацію.

   Також Хокінг робить висновок, що чорні діри існують не завжди: вони випромінюють все сильніший вітер і, зрештою, зникають внаслідок гігантського вибуху.

   Ейнштейн так і не прийняв квантову механіку через пов'язаний з нею елемент випадковості та невизначеності. Він сказав: Бог не грає у кості. Схоже, що Ейнштейн помилився двічі. Квантовий ефект чорної діри дозволяє припустити, що Бог не тільки грає в кістки, а й іноді кидає їх туди, де їх не можна побачити. Стівен Хокінг.

2. Всесвіт створив себе сам

   Ця теорія Хокінга присвячена питанню створення всесвіту, у якого, на думку вченого, не було початку самого моменту творіння. Вчений припустив, що є інший напрямок руху часу (не тільки вперед чи назад), і висунув теорію про уявний час, для якого взагалі не існує понять «початку» або «кінець».

   Хокінг був переконаним атеїстом. Ось його цитата на цю тему:

   Оскільки існує така сила як гравітація, Всесвіт міг і створив себе з нічого. Мимовільне створення - причина того, чому існує Всесвіт, чому існуємо ми. Немає жодної потреби в Бозі для того, щоб "запалити" вогонь і змусити Всесвіт працювати. Стівен Хокінг.

3. Всесвіт розширюється

   До 20 століття вважалося, що Всесвіт вічний і незмінний. Хокінг доступною мовою довів, що це не так.

   У світлі від далеких галактик відбувається зміщення у бік червоної частини спектра. Це означає, що вони віддаляються від нас, що Всесвіт розширюється. Стівен Хокінг.

4. Кварки не бувають самотні

   Кварки - елементарні частинки, у тому числі складаються протони і нейтрони. Хокінг довів, що існують лише групами і ніколи – по одному. Сила, яка пов'язує кварки, збільшується із збільшенням відстані між ними. Якщо спробувати відтягнути один кварк від іншого, вони лише з більшою силою притягнуться.

5. Теорія стиснення Всесвіту

   Хокінг думав про те, що станеться, коли Всесвіт перестане розширюватись і почне стискатися. Чи піде час у інший бік?

   Мені здавалося, що коли почнеться стиснення, Всесвіт повернеться до впорядкованого стану. У такому разі, з початком стиснення час мало повернути назад. Люди в цій стадії проживали б життя задом наперед і молоділи в міру стиснення Всесвіту. Стівен Хокінг.

   Цей процес показаний у фільмі «Пан Ніхто» з Джаредом Літо у головній ролі.

   Намагання створити математичну модель цієї теорії провалилися, але вона залишається популярною. У Всесвіті лише два варіанти: або нескінченне розширення, або стиск.

6. Існує безліч Всесвітів

   Йдеться про М-теорію, яку Хокінг доопрацьовував із Леонардом Млодіновим. М-теорія – це відгалуження теорії струн. Згідно з цією теорією, на найменшому рівні всі частинки складаються з бран - багатовимірних мембран, властивості яких можуть пояснити абсолютно всі процеси, що відбуваються в нашому Всесвіті.

   До речі, ця теорія також передбачає існування величезної кількості всесвітів, у яких діють фізичні закони, відмінні від наших.

   А цей факт, у свою чергу, передбачає наявність інопланетян. Хокінг у них вірив.

   У Всесвіті зі 100 мільярдами галактик, кожна з яких містить сотні мільйонів зірок, малоймовірно, що Земля є єдиним місцем, де розвивається життя. Стівен Хокінг.

2.2. Чи розширюється Всесвіт насправді?

Розмірковуючи над усією цією історією, я виходив з передумови, що істиною, якою б неймовірною вона не здавалася, є те, що залишиться, якщо відкинути все неможливе. Не виключено, що це припускає кілька пояснень. У такому разі необхідно проаналізувати кожен варіант, доки не залишиться один, досить переконливий.

Артур Конан Дойл

Чому всі такі впевнені, що Всесвіт справді розширюється? У науковій літературі реальність розширення вже майже не обговорюється, оскільки професійні вчені, які знають проблему у всій її повноті, у цьому мало сумніваються. Активні обговорення цього питання часто спалахують на різних інтернет-форумах, де представники так званої «альтернативної науки» (на противагу «ортодоксальній») знову і знову намагаються «винайти велосипед» і знайти інше, не пов'язане з видаленням об'єктів, пояснення спостережуваного в спектрах галактик червоний зсув. Такі спроби, як правило, засновані на незнанні того, що, крім червоного зміщення, є інші свідчення на користь реальності космологічного розширення. Строго кажучи, стаціонарність Всесвіту була б набагато більшою проблемою для науки, ніж її розширення!

Сучасна наука є щільно зітканою тканиною взаємопов'язаних результатів або, якщо завгодно, будівля, що постійно будується, з основи якої вже не можна витягнути жодну з цегли без того, щоб вся будівля не впала. Розширення Всесвіту та створена на його основі картина будови та еволюції Всесвіту та складових його об'єктів – один із таких базових результатів сучасної науки.

Але спочатку кілька слів про недоплерівську інтерпретацію червоного усунення. Незабаром після відкриття залежності zвід відстані виникла - і це цілком природно - ідея, що червоне зміщення може бути пов'язане не з видаленням об'єктів, а з тим, що на шляху від далеких галактик частина енергії фотонів втрачається і, отже, довжина хвилі випромінювання збільшується, воно червоніє. Прихильниками такої точки зору були, наприклад, один із основоположників астрофізики в Росії А. А. Білопольський, а також Фріц Цвіккі – один із найбільш нестандартно мислячих та плідних астрономів XX століття. До такого пояснення zіноді схилявся і сам Хаббл. Незабаром, однак, з'ясувалося, що подібні процеси втрати енергії фотонами повинні супроводжуватися розмиванням зображень джерел (що далі галактика, тим більше розмиття), що не спостерігалося. Інший варіант цього сценарію, як було показано радянським фізиком М. П. Бронштейном, передбачав, що ефект почервоніння має бути різним у різних частинах спектра, тобто він повинен залежати від довжини хвилі. На початку 60-х років XX століття розвиток радіоастрономії закрило і цю можливість – для цієї галактики величина червоного усунення виявилася незалежною від довжини хвилі. Знаменитий радянський астрофізик В. А. Амбарцумян ще 1957 року резюмував ситуацію з різними варіантами інтерпретації червоного зміщення таким чином: «Усі спроби пояснити червоне зміщення будь-яким механізмом, відмінним від принципу Доплера, скінчилися невдачею. Ці спроби викликалися й не так логічної чи наукової необхідністю, скільки відомим страхом… перед грандіозністю самого явища…».

Розглянемо тепер кілька спостережних тестів, які підтримують картину глобального космологічного розширення Всесвіту. Перший був запропонований ще 1930 року американським фізиком Річардом Толменом. Толмен виявив, що так звана поверхнева яскравість об'єктів поводитиметься по-різному в стаціонарному і в Всесвіті, що розширюється.

Поверхнева яскравість - це просто енергія, що випромінюється одиницею площі об'єкта в одиницю часу (наприклад, за секунду) в якомусь напрямку або, точніше, в одиниці тілесного кута. У стаціонарному Всесвіті, в якому причиною червоного зміщення є якийсь невідомий закон природи, що призводить до зменшення енергії фотонів на шляху до спостерігача (старіння або втома фотонів), поверхнева яскравість об'єкта повинна зменшуватися пропорційно величині 1 + z. Це означає, що якщо галактика знаходиться на такій відстані, що для неї z= 1, то вона повинна виглядати вдвічі тьмяніша в порівнянні з такими ж галактиками поблизу нас, тобто при z= 0.

У Всесвіті, що розширюється, залежність яскравості (мається на увазі болометрична, тобто повна, підсумована по всьому спектру, яскравість) від червоного зміщення стає набагато сильнішою – вона спадає як (1 + z)4. У цьому випадку об'єкт з z= 1 буде виглядати вже не в 2, а в 16 разів більш тьмяним. Причиною такого сильного падіння яскравості є те, що, крім зменшення енергії фотонів через червоне усунення, при реальному видаленні галактик починають працювати додаткові ефекти. Так, кожен новий фотон, що випускається далекою галактикою, діставатиметься спостерігача з дедалі більшої відстані і витрачатиме на дорогу дедалі більше часу. Інтервали між приходами фотонів зростуть і, отже, за одиницю часу на приймач випромінювання потраплятиме менше енергії і галактика, що спостерігається нами, здаватиметься слабшою. Крім того, у разі реального розширення залежність кутового розміру галактики від zбуде інший, ніж для стаціонарного Всесвіту, що також призводить до зміни її поверхневої яскравості, що спостерігається.

Тест Толмена виглядає дуже простим і наочним - дійсно, достатньо взяти два подібні об'єкти на різних червоних зсувах і порівняти їх яскравості. Однак технічні складності його здійснення такі, що застосувати цей тест змогли лише відносно нещодавно – у 90-х роках XX століття. Зробив це учень та послідовник Хаббла знаменитий американський астроном Алан Сендідж. Разом із різними колегами Сендідж опублікував цілу серію статей, у яких він розглянув тест Толмена для далеких еліптичних галактик.

Еліптичні галактики примітні тим, що вони відносно просто влаштовані. У першому наближенні їх можна представити як гігантські конгломерати зір, що народилися практично одночасно, мають згладжений, без будь-яких особливостей, великомасштабний розподіл яскравості (найяскравіші галактики на рис. 16 відносяться якраз до цього типу). У еліптичних галактик існує просте емпіричне співвідношення, що пов'язують їх основні спостережні характеристики - розмір, поверхневу яскравість і розкид швидкостей зірок вздовж променя зору. (При певних припущеннях це співвідношення є наслідком припущення про стійкість еліптичних галактик.) Різні двовимірні проекції цієї трипараметричної залежності також показують хорошу кореляцію, наприклад, існує залежність між розміром і яскравістю галактик. Значить, порівнюючи еліптичні галактики одного характерного лінійного розміру на різних z,можна продати тест Толмена.

Приблизно і діяв Сендидж. Він розглянув кілька скупчень галактик на z ~ 1 і порівняв поверхневі яскравості еліптичних галактик, що спостерігаються в них, з даними для подібних галактик поблизу нас. Для коректності порівняння Сендиджу довелося врахувати очікувану еволюцію яскравостей галактик за рахунок «пасивної» еволюції складових зірок, однак ця поправка в даний час визначається цілком надійно. Результати виявилися однозначними – поверхнева яскравість галактик змінюється пропорційно 1/(1 + z)4 і, отже, Всесвіт розширюється. Модель стаціонарного Всесвіту зі «старіючими» фотонами не задовольняє спостереження.

Ще один цікавий тест був запропонований дуже давно, а реалізований лише відносно недавно. Фундаментальною властивістю Всесвіту, що розширюється, є здається уповільнення часу у далеких об'єктів. Чим далі від нас у Всесвіті, що розширюється, знаходиться годинник, тим повільніше, як нам здається, вони йдуть – на великих zтривалість всіх процесів видається розтягнутою в (1 + z) разів (рис 22). (Цей ефект подібний до релятивістського уповільнення часу в спеціальній теорії відносності.) Тому, якщо знайти такі «годинники», які можна спостерігати на великих відстанях, то можна безпосередньо перевірити реальність розширення Всесвіту.

Рис. 22. Імпульси, випущені далеким об'єктом на червоному зміщенні zз інтервалом в 1 секунду, дістануться до нас з інтервалами 1 + zсекунд.

У 1939 році американський астроном Олін Вілсон опублікував замітку, в якій він відзначив дивовижну сталість форми кривих блиску наднових зірок (див. приклад кривої блиску наднової Тихо Браге на рис. 4, а також рис. 23) і запропонував використовувати ці криві як «космологічні годин». Спалах наднової – це один із найпотужніших катастрофічних процесів у Всесвіті. У ході такого спалаху зірка зі швидкістю ~ 104 км/с скидає оболонку з масою, порівнянною з масою Сонця. При цьому зірка стає яскравішою в десятки мільйонів разів, і в максимумі блиску вона здатна затьмарити всю галактику, в якій спалахнула. Такий яскравий об'єкт, природно, видно на дуже великих, космологічних відстанях. Як можна використовувати криві блиску наднових як «годинник»? (Їх можна використовувати і як «стандартну свічку», але про це я розповім трохи пізніше.) По-перше, не всі наднові однакові за своїми спостережними проявами і кривими блиску. Їх ділять на два типи (I та II), а ті у свою чергу поділяють на кілька підтипів. Надалі ми обговорюватимемо лише криві блиску наднових типу Ia. По-друге, навіть цей тип зірок криві блиску на перший погляд виглядають дуже різноманітними і зовсім не очевидно, що з ними можна зробити. Наприклад, на малюнку 23 показані криві, що спостерігаються, блиску декількох близьких наднових типу Ia. Ці криві дуже відрізняються: наприклад, світності показаних малюнку зірок у максимумі блиску різняться майже втричі.

Рис. 23. Криві блиску SN Ia: на верхньому малюнку показані криві, що спостерігаються, на нижньому вони зведені в одну з урахуванням кореляції між формою кривої блиску і світністю наднової в максимумі. По горизонтальній осі відкладені дні після максимуму блиску, вертикальної - абсолютна зоряна величина (міра світності). За даними проекту Calan-Tololo Supernova Survey

Ситуацію рятує те, що різноманітність форм кривих блиску, що спостерігаються, підпорядковується чіткій кореляції: чим яскравіше SN у максимумі, тим більше плавно потім спадає її яскравість. Ця залежність була відкрита радянським астрономом Юрієм Псковським ще у 1970-х роках і пізніше – вже у 1990-х – була докладно вивчена іншими дослідниками. Виявилося, що з урахуванням цієї кореляції криві блиску SN Ia напрочуд однорідні (див. рис. 23) – наприклад, розкид світностей SN Ia у максимумі блиску становить лише близько 10 %! Отже, зміна блиску SN Ia може розглядатися як стандартний процес, тривалість якого в локальній системі відліку добре відома. Використання цього «годинника» показало, що у далеких наднових (зараз виявлено вже кілька десятків SN з z> 1) зміни видимого блиску та спектру уповільнені на множник (1 + z). Це є безпосереднім та дуже сильним аргументом на користь реальності космологічного розширення. Ще одним аргументом є згода віку Всесвіту, одержуваного в рамках моделі Всесвіту, що розширюється, з віком реально спостерігаються об'єктів. Розширення означає, що з часом відстані між галактиками збільшуються. Подумки звернувши цей процес, ми приходимо до висновку, що це глобальне розширення мало колись початися. Знаючи поточний темп розширення Всесвіту (він визначається значенням постійної Хаббла) та баланс щільностей складових її підсистем (звичайна речовина, темна матерія, темна енергія), можна знайти, що розширення почалося приблизно 14 мільярдів років тому. Отже, ми не повинні спостерігати у нашому Всесвіті об'єкти з віком, що перевищує цю оцінку.

Але як знайти вік космічних об'єктів? По різному. Наприклад, за допомогою радіоактивного «годинника» – методами ядерної космохронології, які дозволяють оцінювати вік об'єктів шляхом аналізу відносної поширеності ізотопів з великими періодами напіврозпаду. Вивчення вмісту ізотопів у метеоритах, у земних та місячних породах показало, що вік Сонячної системи близький до 5 млрд років. Вік Галактики, в якій знаходиться наша Сонячна система, звичайно більше. Його можна оцінити за часом, який необхідний для утворення кількості важких елементів, що спостерігається в Сонячній системі. Розрахунки показують, що синтез цих елементів повинен був продовжуватися протягом ~ 5 млрд. років до утворення Сонячної системи. Отже, вік навколишніх областей Чумацького Шляху близький до 10 млрд років.

Інший спосіб датування Чумацького Шляху заснований на оцінці віку найстаріших зірок і зоряних скупчень. Цей метод заснований на теорії зоряної еволюції, що добре підтверджена різноманітними спостереженнями. Результат цього підходу – вік різних об'єктів Галактики (зірок, кульових скупчень, білих карликів тощо) не перевищує 10–15 млрд років, що узгоджується з сучасними уявленнями про час початку космологічного розширення.

Вік інших галактик визначити, звичайно, складніше, ніж вік Чумацького Шляху. У далеких об'єктів ми бачимо окремі зірки і змушені вивчати лише інтегральні характеристики галактик – спектри, розподіл яскравості та інших. Ці інтегральні характеристики складаються з внесків значної частини складових галактики зірок. Крім того, характеристики галактик, що спостерігаються, сильно залежать від наявності і розподілу в них міжзоряного середовища - газу і пилу. Всі ці труднощі переборні і сучасні астрономи навчилися відновлювати історії зореутворення, які повинні були призвести до інтегральних характеристик галактик, що спостерігаються в даний час. У галактик різних типів ці історії різні (наприклад, еліптичні галактики виникли в ході потужного одиночного спалаху зіркоутворення багато мільярдів років тому, в спіральних галактиках зірки народжуються і в даний час), проте не виявлено галактик, початок зіркоутворення в яких перевищував вік Всесвіту. Крім того, спостерігається цілком певний, очікуваний для Всесвіту, що реально розширюється, тренд – чим далі по zми забираємося у Всесвіт, тобто переходимо до більш ранніх етапів її еволюції, тим, у середньому, молодші об'єкти ми спостерігаємо.

Важливими аргументами, що підтримують розширення Всесвіту, є існування реліктового випромінювання, спостерігається збільшення його температури зі зростанням червоного зміщення, а також вміст елементів у Всесвіті, але про це я розповім трохи пізніше. Закінчити свою розповідь я хочу, можливо, найнаочнішим свідченням розширення Всесвіту – зображеннями далеких галактик (див. приклад на рис. 24).

Одними з найефективніших результатів роботи космічного телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), безсумнівно, є чудові картинки різноманітних космічних об'єктів – туманностей, зоряних скупчень, галактик та ін. приблизно вдесятеро чіткіші, ніж наземні. На цих дуже чітких знімках (їх кутовий дозвіл становить близько 0.1) у 1990-х роках вперше вдалося детально розглянути структуру далеких галактик. Як виявилось, далекі галактики не схожі на ті, що ми спостерігаємо біля нас. Зі зростанням червоного зміщення збільшується частка асиметричних і неправильних галактик, а також галактик у складі взаємодіючих і зливаються систем: якщо при z= 0 до таких об'єктів можна віднести лише кілька відсотків галактик, то до z= 1 їх частка зростає до ~ 30-40%.

Рис. 24. Фрагмент Надглибокого поля космічного телескопа «Хаббл» (розмір зображення 30" x 30")· Більшість видимих ​​на малюнку галактик мають z~ 0.5: 1, тобто вони відносяться до епохи, коли Всесвіт був приблизно вдвічі молодший.

Чому це відбувається? Найпростіше пояснення пов'язане з розширенням Всесвіту - в більш ранні епохи взаємні відстані між галактиками були меншими (при z= 1 вони були вдвічі менші) і, отже, галактики мали частіше обурювати один одного близькими проходженнями і частіше зливатися. Цей аргумент не є настільки однозначним, як згадані раніше, проте він наочно свідчить про цілком певну, відповідну картину Всесвіту, що розширюється, еволюції властивостей галактик з часом. Отже, розширення Всесвіту підтверджується різноманітними, не пов'язаними один з одним, незалежними спостережними тестами. Крім того, нестаціонарність Всесвіту неминуче виникає і за теоретичних досліджень її структури та еволюції. Все це дозволило знаменитому радянському фізику-теоретику Якову Зельдовичу ще на початку 1980-х років укласти, що теорія Великого вибуху, основою якої є розширення Всесвіту, «так само надійно встановлена ​​і вірна, як правильно, що Земля обертається навколо Сонця. Обидві теорії займали центральне місце у картині світобудови свого часу, і обидві мали багато противників, які стверджували, що нові ідеї, закладені в них, абсурдні та суперечать здоровому глузду. Але подібні виступи не можуть перешкоджати успіху нових теорій».

Моя дисертація "Властивості всесвітів, що розширюються" нарешті завершена.

Перші рядки Вступ: Уявлення про те, що Всесвіт розширюється, з'явилося нещодавно. Всі колишні космології були по суті своєю стаціонарними, і навіть Ейнштейн, чия теорія відносності лежить в основі всіх сучасних досліджень у космології, вважав за природне запропонувати статичну модель Всесвіту. Однак зі статичними моделями, подібними до ейнштейнівської, які, як передбачається, існують нескінченний час, пов'язані дуже серйозні труднощі…

Мікрохвильовий фон говорив про те, що Всесвіт у минулому пройшов гарячу щільну стадію. Але він не доводив, що ця стадія була початком Всесвіту. Можна було уявити, що Всесвіт раніше знаходилася у фазі стиснення, а потім при високій, але кінцевій щільності зазнала відскку і перейшла від стиску до розширення. Чи мав цей факт місце насправді – суто фундаментальне питання, і це було саме те, що було потрібно для завершення моєї дисертації.

Гравітація стягує матерію, а обертання розриває її частини. Тому насамперед я запитав: чи не могло обертання викликати відскок Всесвіту? Разом з Джорджем Еллісом я зміг показати, що відповідь на це питання негативна, якщо Всесвіт просторово однорідний, тобто якщо він однаковий у всіх точках простору. Однак двоє російських учених, Євген Ліфшиц та Ісаак Халатников, стверджували, що їм вдалося довести, ніби в загальному випадку стиснення без точної симетрії завжди призводитиме до відскоку при досягненні кінцевої щільності. Цей результат був дуже зручний марксистсько-ленінського діалектичного матеріалізму, оскільки дозволяв обійти неприємне питання створення Всесвіту. І тому він став догматом для радянських вчених.

Ліфшиць і Халатников були представниками старої школи загальної теорії відносності, тобто записували величезні системи рівнянь і намагалися знайти рішення. Але було очевидно, що знайдені ними рішення є найбільш загальними. Роджер Пенроуз запропонував новий підхід, який не вимагав явно вирішувати ейнштейнівські рівняння поля, а працював лише з деякими загальними властивостями, наприклад з тим, що енергія позитивна, а гравітація притягує. У січні 1965 року Пенроуз провів на цю тему семінар у Лондонському Королівському коледжі. Я не був на цьому семінарі, але чув про нього від Брендона Картера, з яким ми ділили кабінет у Кембриджі, у новому відділенні прикладної математики та теоретичної фізики на Сілвер-стріт.

Спочатку я не міг зрозуміти, у чому суть. Пенроуз показав, що варто лише зірці, що вмирає, стиснутися до певного радіусу, неминуче виникає сингулярність – точка, де простору і часу приходить кінець. Звичайно, я подумав, що ми вже знаємо про неможливість перешкодити колапсу масивної холодної зірки під дією власної гравітації, поки вона не досягне сингулярності з нескінченною щільністю. Але насправді рівняння було вирішено лише для випадку колапсу ідеально сферичноїзірки, а реальні зірки, звичайно ж, не були точно сферичними. Якщо Ліфшиц і Халатников мають рацію, відхилення від сферичної симетрії збільшуватимуться по ходу колапсу зірки і призведуть до того, що різні частини зірки промахнуться щодо один одного, уникнувши тим самим сингулярності з нескінченною щільністю. Але Пенроуз показав, що вони помилялися: невеликі відхилення від сферичної симетрії не перешкоджатимуть появі сингулярності.

Я зрозумів, що такі міркування можна застосувати і до розширення Всесвіту. У цьому випадку я міг довести, що існували сингулярності, в яких бере початок простір-час. Тож Ліфшиць і Халатников знову виявилися неправими. Загальна теорія відносності передбачає, що Всесвіт повинен мати початок – результат, який не уникнув уваги церкви.

Обидві початкові теореми про сингулярності – пенроузовская і моя – вимагали припустити, що Всесвіт має горизонтом Коші, тобто поверхнею, яку траєкторія кожної частки перетинає один і лише один раз. Тому могло виявитися, що наші перші теореми про сингулярність просто доводили, що Всесвіт не має горизонту Коші. Хоча це цікава можливість, але вона була незрівнянна за важливістю з тим, що час може мати початок чи кінець. Тому я спантеличив такими доказами теорем про сингулярність, які б не вимагали припущень щодо горизонтів Коші.

Протягом наступних п'яти років ми з Роджером Пенроузом та Бобом Герочем розробили теорію причинної структури в загальній теорії відносності. Яке це було чудове відчуття – отримати у своє повне розпорядження ціле поле для досліджень! Як не схоже це було на фізику елементарних частинок, де люди буквально билися один з одним, щоб застовпити свіжі ідеї! Там і досі все як і раніше.

Я виклав дещо з цього в есе, яке 1966 року отримало в Кембриджі премію Адамса. Воно лягло в основу книги "Великомасштабна структура простору-часу", яку я написав спільно з Джоном Еллісом і опублікував у Cambridge University Press у 1973 році. Книга все ще перевидається, оскільки це фактично останнє слово в питанні про причинні структури простору-часу, тобто про те, які точки простору-часу можуть впливати на події в інших точках. Я хочу застерегти широку аудиторію від спроб звернутися до цієї книги, оскільки вона суто спеціальна і написана в той час, коли я намагався дотримуватись того ж рівня суворості, що й чисті математики. Сьогодні я більше стурбований тим, щоб бути правим, аніж праведним. Як би там не було, майже неможливо бути ригористом у квантовій фізиці, оскільки вся ця область лежить на дуже хисткому математичному ґрунті.

7. Чорні дірки

Сама думка про якийсь об'єкт, який ми нині називаємо чорними дірками, налічує вже понад два сторіччя. У 1783 році кембриджський викладач Джон Мічелл опублікував у "Філософських працях Лондонського Королівського товариства" статтю про об'єкти, які він називав "темними зірками". Він зазначав, що досить масивна і компактна зірка могла б мати настільки сильне гравітаційне поле, що утримувала б світло, яке вона випускає. Будь-яке світло, випущене з поверхні цієї зірки, буде повернуто її гравітаційним полем, не зумівши значно від неї віддалитися.

Мічелл припустив, що таких зірок може бути багато. Хоча їх не можна побачити, оскільки світло від них до нас не доходить, можна відчути їхнє гравітаційне тяжіння. Такі об'єкти ми називаємо тепер чорними дірками, оскільки це відображає їхню сутність – чорні порожнечі у космосі. Схоже припущення було зроблено за кілька років французьким вченим маркізом де Лапласом, мабуть незалежно від Мічелла. Дуже цікаво, що Лаплас включив цю гіпотезу лише у перше видання своєї книги "Виклад системи світу", у наступних виданнях її вже немає. Можливо, він вирішив, що це шалена ідея.

Як Мічелл, так і Лаплас вважали, що світло складається з частинок, подібних до гарматних ядр, які можуть уповільнюватися гравітацією і падати назад на зірку. Це було несумісно з результатами проведеного в 1887 експерименту Майкельсона - Морлі, який показав, що світло завжди поширюється з однаковою швидкістю. Сумісної теорії впливу гравітації світ було аж до 1915 року, коли Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності. На її основі Роберт Оппенгеймер і його студенти Джордж Волков і Хартланд Снайдер в 1939 році показали, що зірка, яка вичерпала своє ядерне паливо, не зможе протистояти гравітації, якщо її маса перевищує межу, порівнянну по порядку величини з масою Сонця. Зірки, що вигоріли з більшою масою, повинні колапсувати всередину самих себе, утворюючи чорні дірки, що містять сингулярності з нескінченною щільністю. Ейнштейн ніколи не визнавав чорних дірок чи можливості стиснення матерії до нескінченної щільності, хоча це й передбачалося його теорією.

Війна, що почалася, відвернула Оппенгеймера для роботи над атомною бомбою. Після війни більший інтерес викликала атомна і ядерна фізика, і понад двадцять років гравітаційний колапс і чорні дірки були забуті.

Інтерес до гравітаційного колапсу знову прокинувся у 1960-х роках, після відкриття квазарів – дуже далеких об'єктів, які є надзвичайно компактними та потужними оптичними та радіоджерелами. Матерія, що падає в чорну дірку, була єдиним правдоподібним механізмом, який міг пояснити вироблення такої великої кількості енергії в такій малій області простору. Тоді знову згадали роботу Оппенгеймера, і фахівці почали займатися теорією чорних дірок.

Світобудова не статична. Це підтвердили дослідження астронома Едвіна Хаббла ще 1929 року, тобто майже 90 років тому. На цю думку його навели спостереження за рухом галактик. Ще одним відкриттям астрофізиків на завершення ХХ століття стало обчислення розширення Всесвіту з прискоренням.

Як називають розширення Всесвіту

Дехто дивується, почувши, як вчені називають розширення Всесвіту. Це найменування у більшості пов'язане з економікою, причому з негативними очікуваннями.

Інфляція - це процес розширення Всесвіту відразу після появи, причому з різким прискоренням. У перекладі з англійської "інфляція" - "накачувати", "роздмухувати".

Нові сумніви існування темної енергії як чинника теорії інфляції Всесвіту використовують противники теорії розширення.

Тоді вчені запропонували карту чорних дірок. Початкові дані відрізняються від тих, що були отримані на пізньому етапі:

1. Шістдесят тисяч чорних дірок з відстанню між найдальшими більше одинадцяти мільйонів світлових років - дані чотирирічної давності.
2. Сто вісімдесят тисяч галактик із чорними дірками із видаленням у тринадцять мільйонів світлових років. Дані, отримані вченими, зокрема російськими ядерними фізиками, на початку 2017 року.

Ці відомості, кажуть астрофізики, не суперечать класичній моделі Всесвіту.

Швидкість розширення Всесвіту – завдання для космологів

Швидкість розширення справді є завданням для космологів та астрономів. Правда, про те, що швидкість розширення Всесвіту не має постійного параметра, космологи більше не сперечаються, розбіжності перейшли в іншу площину – коли розширення почало прискорюватись. Дані про кочування в спектрі дуже далеких наднових галактик першого типу доводять, що розширення - це не раптовий процес.

Вчені вважають, що перші п'ять мільярдів років Всесвіт звужувався.

Перші наслідки Великого Вибуху спочатку спровокували потужне розширення, а потім почалося стиснення. Але темна енергія все-таки вплинула на зростання світобудови. Причому із прискоренням.

Американські вчені розпочали створення карти розмірів Всесвіту для різних епох, щоб з'ясувати, коли почалося прискорення. Спостерігаючи вибухи наднових, і навіть напрям концентрації у давніх галактиках, космологи помітили особливості прискорення.

Чому Всесвіт «розганяється»

Спочатку малося на увазі, що в складеній карті значення прискорення не були лінійні, а перетворилися на синусоїду. Її назвали «хвильою Всесвіту».

Хвиля Всесвіту говорить про те, що прискорення не йшло з постійною швидкістю: воно сповільнювалося, то прискорювалося. Причому кілька разів. Вчені вважають, що було сім таких процесів за 13,81 мільярда років після Великого Вибуху.

Однак космологи поки що не можуть відповісти на запитання про те, від чого залежить прискорення-уповільнення. Припущення зводяться до думки, що енергетичне поле, з якого бере початок темна енергія, підпорядковане хвилі Всесвіту. І, переходячи від одного становища до іншого, Всесвіт то розширює прискорення, то сповільнює його.

Незважаючи на переконливість доказів, вони все-таки залишаються наразі теорією. Астрофізики сподіваються, що інформація орбітального телескопа "Планк" підтвердить існування хвилі Всесвіту.

Коли знайшли темну енергію

Вперше про неї заговорили в дев'яності через вибухи наднових. Природа темної енергії невідома. Хоча ще Альберт Ейнштейн виділив космічну постійну у своїй теорії відносності.

У 1916 році, сто років тому, Всесвіт ще вважався незмінним. Але сила тяжіння втрутилася: космічні маси незмінно б вдарилися одна від одної, якби Всесвіт був нерухомий. Ейнштейн повідомляє гравітацію за рахунок космічної сили відштовхування.

Жорж Леметр доведе це через фізику. Вакуум містить енергію. Через її коливань, що призводять до появи частинок та подальшого їх руйнування, енергія набуває сили відштовхування.

Коли Хаббл довів розширення Всесвіту, Ейнштейн назвав нісенітницею.

Вплив темної енергії

Світобудова розсувається із постійною швидкістю. У 1998 році світові представили дані аналізу спалахів наднових першого типу. Було доведено, що Всесвіт розростається все швидше.

Відбувається це через непізнану речовину, її прозвали «темною енергією». З'ясується, що вона займає майже 70% простору Всесвіту. Сутність, якості і природа чорної енергії не вивчені, але її вчені намагаються з'ясувати, чи була вона в інших галактиках.

У 2016 році вирахували точну швидкість розширення на найближче майбутнє, але з'явилася розбіжність: Всесвіт розширюється з більшою швидкістю, ніж раніше припустили астрофізики. У середовищі вчених розгорілися суперечки про існування темної енергії та її вплив на швидкість розширення меж світобудови.

Розширення Всесвіту відбувається без темної енергії

Теорію незалежності процесу розширення Всесвіту від темної енергії висунули вчені на початку 2017 року. Розширення вони пояснюють зміною структури Всесвіту.

Вчені з Будапештського та Гавайського університетів дійшли висновку, що розбіжність розрахунків і реальної швидкості розширення пов'язані зі зміною властивостей простору. Ніхто не враховував, що відбувається з моделлю Всесвіту під час розширення.

Засумнівавшись у існуванні темної енергії, вчені пояснюють: найбільші концентрати матерії Всесвіту впливають її розширення. При цьому решта змісту розподіляється рівномірно. Проте факт залишається неврахованим.

Для демонстрації обґрунтованості своїх припущень вчені запропонували модель міні-всесвіту. Вони представили її у формі набору бульбашок і почали прорахунок параметрів зростання кожної бульбашки зі своєю швидкістю, яка залежить від його маси.

Таке моделювання Всесвіту показало вченим, що він може змінюватися без урахування енергії. А якщо «домішати» темну енергію, то модель не зміниться, вважають вчені.

Загалом, суперечки все ще продовжуються. Прихильники темної енергії кажуть, що вона впливає на розширення кордонів Всесвіту, противники стоять на своєму, стверджуючи, що значення має концентрація матерії.

Швидкість розширення Всесвіту зараз

Вчені переконані, що зростати Всесвіт почав після Великого Вибуху. Тоді, майже чотирнадцять мільярдів років тому, виявилося, що швидкість розширення Всесвіту більша за швидкість світла. І вона продовжує зростати.

У книзі Стівена Хокінга та Леонарда Млодінова «Найкоротша історія часу» зазначається, що швидкість розширення кордонів Всесвіту не може перевищувати 10% за мільярд років.

Щоб визначити, яка швидкість розширення Всесвіту, влітку 2016 року лауреат Нобелівської премії Адам Рісс розрахував відстань до пульсуючих цефеїдів у близьких галактиках. Ці дані дозволили визначити швидкість. З'ясувалося, що галактики на відстані не менше трьох мільйонів світлових років можуть віддалятися зі швидкістю майже 73 км/с.

Результат був дивовижний: орбітальні телескопи, той самий «Планк», говорили про 69 км/с. Чому зафіксована така різниця, вчені не в змозі дати відповідь: їм нічого не відомо про походження темної матерії, на яку спирається теорія розширення Всесвіту.

Темна радіація

Ще один фактор «розгону» Всесвіту виявили астрономи за допомогою «Хаббла». Темне випромінювання, як припускають, з'явилося на початку освіти Всесвіту. Тоді більше у ній було енергії, а чи не матерії.

Темне випромінювання «допомогло» темній енергії розширити межі Всесвіту. Розбіжності у визначенні швидкості прискорення були через невідомість цього випромінювання, вважають вчені.

Подальша робота «Хаббла» має зробити спостереження точнішими.

Таємнича енергія може знищити Всесвіт

Такий сценарій вчені розглядають уже кілька десятиліть, дані космічної обсерваторії «Планк» кажуть, що це далеко не лише припущення. Їх опублікували у 2013 році.

"Планк" завмер "відлуння" Великого вибуху, що з'явилося у віці Всесвіту близько 380 тисяч років, температура склала 2 700 градусів. Причому температура змінювалася. "Планк" визначив і "склад" Всесвіту:

• майже 5% - зірки, космічний пил, космічний газ, галактики;
• майже 27% – маса темної матерії;
• близько 70% – темна енергія.

Фізик Роберт Колдуел припустив, що темна енергія має силу, здатну наростати. І ця енергія роз'єднає простір-час. Галактика віддалятиметься у найближчі двадцять-п'ятдесят мільярдів років, вважає вчений. Цей процес відбуватиметься при наростаючому розширенні кордонів Всесвіту. Це відірве Чумацький Шлях від зірки, і він також розпадеться.

Космосу відміряли близько шістдесяти мільйонів років. Сонце стане карликовою зіркою, що гасне, і від неї відокремляться планети. Після вибухне Земля. У наступні тридцять хвилин простір розірве атоми. Фіналом стане руйнування структури простір-час.

Куди «відлітає» Чумацький Шлях

Єрусалимські астрономи переконані, що Чумацький Шлях набрав максимальну швидкість, яка вища за швидкість розширення Всесвіту. Вчені пояснюють це прагненням Чумацького Шляху до «Великого Атрактора», що вважається найбільшим. Так Чумацький Шлях йде з космічної пустелі.

Вчені використовують різні методики виміру швидкості розширення Всесвіту, тому немає єдиного результату цього параметра.

Природа темної енергії є предметом запеклих суперечок. Відкритий трохи менш як тридцять років тому, невидимий компонент Всесвіту все ще не отримав єдиного пояснення. Настав час розібратися: чому темна енергія викликає стільки проблем і як вчені намагаються її детектувати?

Форма всесвіту

З гарним ступенем точності наш Всесвіт просторово-однорідний і ізотропний – він не містить «особливих» точок і напрямків, щодо яких його властивості змінюються. Такий простір створити непросто: необхідно підтримувати певну щільність енергії всіх компонентів, що до неї входять.

Вже в 1980-х роках вченим була точно відома так звана критична щільність, що забезпечує просторово-плоский Всесвіт. Але отримані результати вимірювання кількості баріонної речовини в галактичних кластерах разом із щільністю, яку міг забезпечити Великий вибух, скоріше вказували на низьку щільність матерії у просторі.

Також про нестачу матерії говорив вік кульових скупчень – дуже літніх конгломератів зірок. Виявилося, що такі скупчення народилися як мінімум 10 мільярдів років тому: але при спостережуваній кількості речовини після Великого вибуху розширення Всесвіту мало поступово сповільнюватися і в цілому оцінка її віку була меншою. Наш світ виявлявся молодшим, ніж його складові.

Наднові типу Ia

Остаточно переконати вчених у необхідності пошуку нового джерела енергії у Всесвіті змогли наднові типу Iа – зірки, життєвий цикл яких закінчується спалахом, настільки інтенсивним, що його можна спостерігати на Землі.

Дві команди вчених, Supernova Cosmology Project, керівником якого був Сол Перлмуттер, та High-Z Supernova Research Team, очолюваний Браяном Шмідтом, запропонували процедуру використання найпотужніших телескопів у світі для вивчення наднових.

Прорив зробив Марк Філліпс, астроном, що працює в Чилі: він запропонував новий спосіб визначення внутрішньої світності наднових типу Ia, яка безпосередньо пов'язана з відстанню до небесного тіла. З іншого боку, відстань до деяких зірок можна було визначити за допомогою закону Хаббла, що описує зміну довжини хвилі випромінюваних об'єктом фотонів внаслідок розширення Всесвіту.

Виявилося, що наднові в далеких галактиках набагато «блідіші»: їхня світність була значно меншою за передбачену виходячи з відстані, розрахованої за законом Хаббла. Іншими словами, наднові повинні були бути набагато далі: так вчені вперше припустили, що Всесвіт не просто розширюється, а з деяким прискоренням.

Спостереження далеких наднових типу Ia відразу перевернуло уявлення вчених про Всесвіт. Дослідження показали, що близько 70% густини енергії становить новий, невідомий компонент з негативним тиском.

Термін «темна енергія» запропонував пізніше космолог Майкл Тернер, а перед вченими постала нова загадка: пояснити природу її виникнення.

Чи можна пояснити прискорене розширення Всесвіту?

В даний час існують три класи теорій, які претендують на роль темної енергії. Перший варіант постулює наявність енергії у вакууму: по суті це стало поверненням до космологічного постійного, запропонованого Ейнштейном для підтримки статичного Всесвіту. У новому варіанті щільність вакууму однакова у всьому просторі, але не виключається, що вона могла змінюватися з часом.

Другий варіант, який отримав назву квінтесенції, запропонований німецьким фізиком Крістофом Веттеріхом, передбачає наявність нового поля - фактично нових частинок, що вносять внесок у загальну щільність Всесвіту. Енергія таких частинок вже не тільки змінюється з часом, а й у просторі: для того, щоб сильні коливання щільності темної енергії були відсутні, частки мають бути досить легкими. У цьому, мабуть, полягає основна проблема квінтесенції: запропоновані варіанти частинок, згідно з основними принципами сучасної фізики, не можуть бути легкими, а навпаки, набувати значної маси, і на даний момент жодних вказівок на цей сценарій не отримано.

До третій варіант належать різні теорії модифікованої гравітації, у якій взаємодія між масивними об'єктами не підпорядковується стандартним законам Загальної теорії відносності (ОТО). Існує безліч модифікацій гравітації, але до теперішнього часу відхилення від ОТО в експериментах не були виявлені.

Темна енергія, незважаючи на величезний внесок у стан Всесвіту, завзято «ховається» від спостерігачів, і вивчаються лише непрямі прояви її властивостей. Серед них основну роль грають баріонні акустичні осциляції, анізотропія реліктового випромінювання та слабке гравітаційне лінзування.

Баріонні акустичні осциляції

Баріонні акустичні осциляції, або, скорочено, БАО - періодична зміна щільності звичайної, баріонної речовини, що спостерігається, на великих масштабах. У початковій, гарячій космічній плазмі, що складалася з баріонів та фотонів, конкурували два процеси: гравітаційне тяжіння, з одного боку, та відштовхування за рахунок вивільнення енергії при реакціях між речовиною та фотонами – з іншого. Подібне «протистояння» призводило до акустичних коливань, подібно до звукових хвиль у повітрі між областями з різною щільністю.

При охолодженні Всесвіту у певний момент відбулася рекомбінація – окремим часткам стало вигідніше утворювати атоми, а фотони фактично стали «вільними» і відокремилися від речовини. При цьому внаслідок коливань речовина встигла розлетітися на певну відстань, яка називається звуковим горизонтом. Наслідки наявності горизонту нині спостерігаються у розподілі галактик у Всесвіті.

Сам собою звуковий горизонт – величина, що передбачає космологічно. Він безпосередньо залежить від параметра Хаббла, що визначає швидкість розширення Всесвіту, який у свою чергу визначається параметрами темної енергії.

Реліктове випромінювання

Мікрохвильове реліктове випромінювання – далекий «відлуння» Великого вибуху, що рівномірно заповнюють Всесвіт фотони з практично однаковою енергією. Нині саме реліктове випромінювання є основним джерелом обмежень різні космологічні моделі.

Однак, зі збільшенням чутливості інструментів було виявлено, що реліктове випромінювання є анізотропним і має неоднорідності – з якихось напрямків приходить дещо більше фотонів, ніж з інших. Така відмінність у тому числі також спричинена наявністю неоднорідностей у розподілі речовини, і масштаб розподілу «гарячих» та «холодних» плям на небі визначається властивостями темної енергії.

Слабке гравітаційне лінзування

Ще один важливий для дослідження темної енергії ефект – гравітаційне темне лінзування – полягає у відхиленні пучків світла в полі речовини. Лінзування одночасно дозволяє вивчати структуру Всесвіту та її геометрію, тобто форму простору-часу.

Існують різні види гравітаційного лінзування, серед яких найзручнішим для вивчення темної енергії є слабке лінзування за рахунок відхилення світла великомасштабною структурою Всесвіту – це призводить до розмивання зображень далеких галактик.

Темна енергія одночасно впливає як на властивості джерела, наприклад відстань до нього, так і на властивості спотворює картинку простору. Тому слабке лінзування, з урахуванням астрономічних даних, що постійно оновлюються, є подвійно важливим способом постановки обмежень на властивості темної енергії.

Темна енергія – як і раніше, в тіні

Підіб'ємо підсумки, що вдалося дізнатися фізикам за майже тридцятирічний стаж вивчення чорної енергії?

З великою точністю відомо, що темна енергія має негативний тиск: більше того, рівняння залежності тиску від щільності енергії визначено з великою достовірністю, і такими властивостями не має жодна інша відома нам середовище.

Темна енергія просторово-однорідна, а її внесок у густину енергії став домінуючим відносно недавно – близько п'яти мільярдів років тому; при цьому вона впливає одночасно і на відстані між об'єктами та на саму структуру Всесвіту.

Різні космологічні експерименти дозволяють вивчати темну енергію, але нині помилки вимірювання занадто великі, щоб робити точні пророцтва. Поки що вчені ще явно далекі від відповіді на питання про природу темної енергії, яка багато мільярдів років таємно керує пристроєм Всесвіту.