Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

Сверхновые — это классический пример проявления темной энергии во Вселенной. Они сыграли важную историческую роль, а также служат довольно точным индикатором скорости расширения Вселенной. Однако к предполагаемым стандартным свечам всегда стоит относиться с осторожностью. Наши выводы основываются на убеждении, что мы действительно наблюдаем стандартные свечи. Как мы уже видели, в понимании цефеид ученые долго топтались на месте, и Фриц Цвикки ошибся в вычислениях именно из-за недостатка знаний о них. Поэтому очень важно, чтобы были и другие независимые наблюдения, свидетельствующие о той же темной энергии. Мы рассмотрим некоторые из них, начиная с нашего старого знакомца — реликтового излучения. Темная энергия в младенческой Вселенной

Мы уже знакомы с реликтовым излучением, этими микроволнами, настигающими нас со всех сторон. Излучение появилось, когда снижение температуры позволило электронам присоединяться к атомам, что сделало Вселенную прозрачной. Мы помним, как неоднородности материи формировались под влиянием огромных волн. Больше всего пятен на реликтовом излучении с радиусом примерно в один градус (см. схему на с. 105). Этот один градус — важное свидетельство в пользу существования темной энергии во Вселенной. Почему?

Снова вернемся к курсу школьной математики. Большинство все же выучило, что сумма углов треугольника равняется 180°. Но это не всегда так, в чем просто убедиться на практике: попробуйте нарисовать треугольник на сферической поверхности, например глобусе. Предположим, первый угол будет на Северном полюсе, проведите от него две линии на юг, к экватору так, чтобы между ними получился угол в 90°. Затем начертите новую линию вдоль экватора, соединяющую эти две. В итоге у нас получился треугольник, все углы которого равны 90°. Сумма углов вашего треугольника составит 270°. Говоря, что сумма углов треугольника составляет 180°, мы имеем в виду только треугольники на плоской поверхности. Когда же поверхность изогнутая, как Земля, сумма углов будет больше, чем 180°. А если поверхность, вогнутая внутрь (представьте седло для верховой езды), сумма углов будет меньше, чем 180°. Сумма углов треугольника может к тому же пригодиться при определении, как именно изгибается поверхность. Стоп! А каким образом все это связано со Вселенной?

Поверхность Земли обладает двумя пространственными измерениями. Вы можете двигаться вперед и назад, вправо и влево. Но не вверх или вниз: тогда вы покинете поверхность Земли. Поверхность земного шара — это двумерная поверхность, изогнутая в третьем измерении. Вселенная трехмерна, три ее измерения тоже могут изгибаться, но уже в воображаемое четвертое измерение. Визуализировать такую кривизну трехмерного пространства непросто, но рассчитать вполне возможно. Результат будет таким же, как на глобусе: сумма углов покажет кривизну пространства.

Чтобы исключение из правила 180° стало действительно заметно, понадобится большой треугольник. Вернемся к нашему глобусу: если нарисовать крошечный треугольник на большом глобусе, то внутри треугольника глобус будет практически плоским, а сумма углов останется равной примерно 180°. Отклонение видно, только когда треугольники становятся большими относительно кривизны пространства. Реликтовое излучение дает нам прекрасную возможность нарисовать космический мегатреугольник, линии которого доходят чуть ли не до Большого взрыва.

Представьте себе пятно протяженностью в один градус на реликтовом излучении. Можно вообразить, что мы рисуем треугольник, один угол которого берет начало от нас, а два других — по краям этого пятна. Затем можно измерить угол треугольника возле нас (который тоже составляет около одного градуса). А расстояние мы узнаем, высчитывая, насколько сильно красное смещение повлияло на микроволны. А еще можно рассчитать, насколько большим было пятно, когда только образовалось. Это возможно, так как физические законы, повлиявшие на формирование пятен, достаточно просты и хорошо изучены. Тот факт, что треугольник начерчен в расширяющейся Вселенной, только усложняет задачу, но это вполне можно учесть в расчетах. Таким образом, данных о треугольнике должно хватить для расчета суммы его углов. А зная сумму углов, можно многое понять о кривизне пространства. Получается, пятна протяженностью в градус могут использоваться для определения кривизны пространства. И они указывают на то, что Вселенная практически плоская.

К тому же существуют и расчеты, говорящие о плоскости пространства. А как это связано с темной энергией? Ну, смотрите: по уравнениям Эйнштейна искривление Вселенной определяется ее содержимым. Чтобы быть плоской, плотность материи должна соответствовать выделенному значению — так называемой критической плотности. Если сложить известную нам обычную и темную материи, то вместе они составят всего около 30 процентов критической плотности. Но реликтовое излучение как раз говорит о том, что Вселенная практически плоская, а потому и ее содержание должно соответствовать критической плоскости. Таким образом, содержаться в ней должно нечто большее, чем просто материя. В эту теорию отлично вписывается темная энергия. Она заполняет оставшиеся 70 процентов и способствует росту показателей. Тот факт, что в реликтовом излучении много пятен протяженностью около одного градуса соответственно дает нам серьезный повод принять темную энергию с распростертыми объятиями.

Рассказывая о реликтовом излучении, я упомянул, что это, вероятно, наш важнейший источник знаний о Вселенной. И вот теперь перед нами начинают вырисовываться очертания картины, которую мы видим благодаря реликтовому излучению. Сначала оно показало нам Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва. Затем мы увидели, что высота различных пиков на рисунке на странице 105 говорит нам, сколько темной материи находится во Вселенной. И теперь мы знаем, что положение первого пика говорит о том, что Вселенная плоская и, следовательно, в ней содержится намного больше, чем обнаруженные нами обычная и темная материи. Волны в миллионах галактик

Преимущество сверхновых заключается в том, что они позволяют нам понять, с какой скоростью расширялась Вселенная на протяжении истории. Недостаток же этих взрывающихся звезд — это множество связанных с ними неопределенностей. Я уже перечислял некоторые из них. Например, можем ли мы быть абсолютно уверены, что сверхновые — действительно стандартные свечи? Вспышки сверхновых зависят еще и от измерений дошедшего до нас света. Но ведь часть света спокойно могла затеряться по дороге. Достоверны ли наши представления о том, какое количество света могут задержать пыль и газ во время путешествия от далеких сверхновых?

Хорошо бы обзавестись альтернативой сверхновым, тоже показывающим, насколько быстро Вселенная расширялась в разное время, но не обремененным такими неопределенностями, как наши стандартные свечи. Один из вариантов — наблюдать за галактиками. За множеством галактик. Наша задача — составить карту их группировок, ведь у этих скоплений есть размер углового диаметра, который можно сравнить с линейкой.

Принцип стандартных свечей я объяснял на примере расположенных вдоль дороги факелов. Измерив дошедший от факелов свет, можно определить расстояние до них. Представьте, что вместо факелов стоят дорожные столбики одинаковой высоты. Мы можем измерить, насколько высоким выглядит отдаленный столбик, то есть насколько велик угол между его верхом и низом. Эту манипуляцию можно использовать для расчета расстояния до этого столбика. Таким образом, столбики становятся стандартной линейкой.

Чтобы найти стандартную космическую линейку, нам придется снова вспомнить о реликтовом излучении: между его пятнами и сегодняшним расположением галактик существует определенная связь. Еще раз взгляните на рисунок на странице 105: на нем мы видим пятна различных размеров. Пятна, как мы уже несколько раз упоминали, представляют собой зародыши структур, сформировавшихся во Вселенной позже. Плотные сгустки сжимались, образуя галактики и скопления галактик. Волновая карта реликтового излучения отражается в распределении галактик по небу. Это излучение достаточно хорошо картографировано и изучено. Расстояние между волнами на рисунке становится значением углового диаметра — известной мерой расстояния. Это похоже на огромную космическую линейку. В сегодняшней Вселенной она соответствует длине почти в 500 миллионов световых лет.

Таким образом, распределение галактик можно использовать как космические дорожные столбики. Измерим красное смещение и положение множества галактик, а затем посмотрим на галактики с одинаковым красным смещением. Изучив, каким образом эти галактики группируются, мы сможем распознать тот же волновой узор, который видели в реликтовом излучении. Следовательно, у нас есть стандартная линейка и ее можно использовать для определения расстояния. В результате получается ситуация, как со сверхновыми: у нас есть взаимосвязь между расстоянием и красным смещением. 1лядя на галактики со множеством разных красных смещений, мы можем построить временную шкалу скорости расширения Вселенной в разные периоды.

Сложность в том, что эти волны трудно измерить. Требуются точные наблюдения за очень многими галактиками. Таким образом, стандартная галактическая линейка не была открыта до 2005 года. В то время в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (Слоуновский цифровой обзор неба) была проанализирована выборка из почти 50 000 галактик, и в итоге ученым удалось распознать их волновую структуру. Позже волны наблюдались и в других проектах, так что космическая сверхлинейка была нанесена на карту с завидной точностью. Пока что наблюдения очень хорошо согласуются с измерениями сверхновых. Угловое расстояние и сверхновые помогают нам измерить примерно одно и то же, но методы и возможные ошибки в корне различаются. Похоже, темная энергия никуда уходить не собирается. Исчезновение космических склонов

Есть еще один эффект, который мне бы хотелось упомянуть. Во-первых, он кажется мне забавным. А во-вторых, он показывает следы темной энергии не так, как сверхновые и стандартная линейка. Впоследствии он даже получил довольно звучное название — эффект Сакса — Вульфа.

Представьте, что быстро несетесь на лыжах. Вы резко отталкиваетесь, поэтому, скользя по лыжне, практически не теряете скорость. Посреди лыжни течет ручей. Перед тем, как пересечь ручей, лыжня резко опускается на несколько метров вниз. По другую сторону ручья она снова поднимается. Вы окажетесь на той же высоте, что и до перехода через ручей. Как будет меняться ваша скорость? По пути вниз к ручью скорость увеличится, и у вас будет максимальная скорость, когда вы пересечете ручей в нижней точке долины. На пути вверх вы потеряете скорость. Если у вас идеальное скольжение, то скорость, с которой вы закончите переход долины, будет такой же, как и до того, как вы подошли к ней.

А теперь заменим лыжника на фотон, световую волну, которая скользит по Вселенной. Наш фотон от реликтового излучения летит к Земле. Как и лыжник, фотоны могут наталкиваться на неровности и склоны на своем пути. Как мы помним, фотоны подвластны гравитации. Когда фотон движется в том же направлении, что и сила тяжести, он, следовательно, будет катиться под гору. Скорость света всегда одинакова, но энергия у фотона будет возрастать. Более высокая энергия соответствует более коротким длинам волн, то есть синему смещению. Соответственно, если фотон движется навстречу силе тяжести, он потеряет энергию, что приведет к красному смещению.