Американский астрофизик лауреат нобелевской премии за открытие ускоренного расширения вселенной это

Американский астрофизик лауреат нобелевской премии за открытие ускоренного расширения вселенной это

Трое лауреатов, американцы Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс, собрали доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением, наблюдая сверхновые типа Iа и используя их для измерения космологических расстояний.

Нобелевская премия по физике будет вручена космологам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Брайану Шмидту (Brian Schmidt) и Адаму Риссу (Adam Riess), собравшим доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением.

Все лауреаты родились в США и обучались в американских университетах ( Гарвардском и Калифорнийском ). Стоит также отметить, что в 2006 году они уже получали престижную азиатскую Премию Шо с формулировкой, совпавшей с рескриптом Нобелевского комитета.

Гипотеза о том, что Вселенная расширяется, теоретически обоснована Александром Фридманом в начале ХХ века, а наблюдения Эдвина Хаббла, выполненные в конце двадцатых годов, стали её экспериментальным подтверждением. Чтобы оценить скорость расширения, астрономам нужно было найти какой-то класс объектов с известной светимостью («стандартных свечей»), которые можно использовать для измерения космологических расстояний. Самыми удобными и надёжными «свечами» оказались сверхновые типа Iа , вспыхивающие в тот момент, когда масса их предшественника — белого карлика — достигает хорошо известного предела Чандрасекара . Поскольку механизм взрыва универсален, все сверхновые типа Ia, находящиеся на одном расстоянии от нас, должны иметь примерно одинаковую светимость в максимуме, а наблюдаемая яркость вспышек, произошедших в разных галактиках, должна свидетельствовать о том, как сильно эти галактики удалены от Земли.

В конце прошлого века две исследовательские группы попытались составить массив экспериментальных данных по сверхновым типа Ia. Одна из них, Supernova Cosmology Project , приступила к работе в 1988-м, и руководил ею г-н Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team , подключилась к исследованиям в 1994-м.

При обработке собранной информации учёные надеялись обнаружить замедляющееся расширение Вселенной. В получившей большую известность работе 1998 года, ведущим автором которой стал участник High-z Supernova Search Team Адам Рисс, было, однако, показано, что сверхновые типа Ia в галактиках, удаление которых определялось по закону Хаббла, имеют яркость ниже ожидаемой. Другими словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», превосходило дистанцию, рассчитанную по ранее установленному значению параметра Хаббла.

Отсюда следовало, что Вселенная расширяется с ускорением.

Этот неожиданный результат заставил космологов пересмотреть имеющиеся модели. Напомним: сейчас для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной теоретики вводят понятие тёмной энергии .

Подготовлено по материалам Нобелевского комитета .

Источник

Нобелевская премия по физике досталась открывшим ускорение расширения Вселенной

Три исследователя, которые обнаружили, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью получили Нобелевскую премию.

Премию поделят между собой Сол Перлмуттер и Адам Рисс из США, а также Брайан Шмидт из Австралии.

Наблюдая за сверхновыми типа 1а, они определили, что отдаленные объекты двигаются быстрее.

Их открытие предполагает, что Вселенная не просто расширяется, но делает это со все возрастающей скоростью.

Профессор Шмидт обратился к Нобелевскому комитету из Австралии.

«Ощущения такие, которые я испытывал только когда родились мои дети», — сказал он.

«У меня подламываются коленки, я очень взволнован и изумлен этим событием».

Чтобы объяснить ускоряющееся расширение, космологи выдвинули теорию о существовании так называемой темной энергии. Хотя ее свойства и природа остаются загадкой, согласно доминирующей теории, из темной материи состоит три четверти Вселенной.

«Это было моим излюбленным занятием, ведь нам представился прекрасный шанс найти ответ на нечто абсолютно фундаментальное: какова судьба Вселенной и является ли Вселенная конечной», — сказал профессор Перлмуттер.

Он возглавляет Supernova Cosmology Project с 1988 года, а профессор Шмидт и профессор Рисс начали работу над аналогичным проектом, High-z Supernova Search Team, с 1994 года.

Обе команда обнаружили одно и то же: отдаленные сверхновые ускорялись, что указывало на то, что Вселенная будет расширяться вечно.

«В последние четыре-пять лет работы между командами велась жесткая конкурентная борьба», — сказал профессор Перлмуттер.

«Две команды объявили о полученных результатах с разрывом всего в несколько недель и оба исследования пришли к одинаковым выводам, что явилось одной из причин быстрого принятия этих результатов в научном сообществе».

Это открытие привело к началу новой эпохи в космологии, которая ищет ответ на вопрос о причинах расширения.

Вручение Нобелевской премии проводится ежегодно с 1901 года в таких областях как медицина, физика, химия, литература и мир.

Источник

Нобелевская премия по физике 2011 года. Разогнавшие границы вселенной

Представления о том, как развивается Вселенная и какой она станет в будущем, менялись по мере совершенствования и методов наблюдения, и космологических теорий. Долгое время считалось, что Вселенная «необъятна, бесконечна и существует вечно». Об этом рассказывали в советских школах ещё лет 60 назад, хотя в 1916 году Альберт Эйнштейн создал свою теорию гравитации, общую теорию относительности. В 1922 году советский математик А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна описывают не стационарную, а эволюционирующую Вселенную. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Но ещё в 1914 году американский астроном Весто М. Слайфер обнаружил, что галактики не просто «висят» в космическом пространстве, а разлетаются с большой скоростью. Туманность Андромеды, например, несётся к нашей Солнечной системе, обнаруживая в своём спектре в силу эффекта Доплера синее смещение. Но подавляющее число далёких галактик убегают от нас, демонстрируя красное смещение спектра (см. «Наука и жизнь» № 4, 2011 г.). Спустя несколько лет астроном Эдвин П. Хаббл вывел зависимость величины красного смещения галактики от расстояния до неё — постоянную Хаббла. Наблюдения, подтверждённые расчётами, свидетельствовали, что Вселенная действительно расширяется. Тут же возникли вопросы: что вызвало это расширение и будет ли оно продолжаться бесконечно или же силы тяготения звёзд затормозят разлёт и стянут Вселенную в точку? Выбор одного из этих двух сценариев зависел от величины тяготения, то есть от массы Вселенной. Подсчитать её можно было, только замерив светимости звёзд, ибо зависимость
масса/светимость хорошо известна. Такой метод оказался слишком груб, с большими ошибками в оценках величины массы, и дальнейшая судьба Вселенной по-прежнему оставалась загадкой.

Но в 1937 году Фриц Цвикки, исследуя движения звёзд в скоплении Волосы Вероники, рассчитал массу скопления. Она оказалась в 500 раз больше той, которую давала светимость. Так была обнаружена тёмная материя, или скрытая масса. Природа её до сих пор непонятна, она не видна и проявляет себя только через тяготение. Но теперь уже стало ясно, что бесконечного расширения не будет.

Ответ на первый вопрос — что заставило Вселенную расширяться? — дал в 1948 году Г. А. Гамов. Он разработал теорию «горячей Вселенной», родившейся примерно 14 миллиардов лет назад из невообразимо малого объёма, сингулярности, в результате Большого взрыва и раздувания (инфляции) с огромной скоростью (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1996 г.). И по всему выходило, что Вселенная развивается циклично. Разбегание галактик сменится их сближением, возникнет сингулярность, взрыв, и всё начнётся сначала.

Но прошло ещё 50 лет, и астрофизики преподнесли мировому сообществу очередной сюрприз. Трое исследователей из разных стран — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Райс, проводя наблюдения за сверхновыми звёздами, обнаружили, что Вселенная не просто расширяется (об этом стало известно почти 60 лет назад), а расширяется с ускорением (см. «Наука и жизнь» № 3, 2004 г. и № 5, 2005 г.). Эта сенсационная весть была опубликована осенью 1998 года в авторитетном астрономическом журнале, вызвав огромный интерес и некоторый скепсис даже у самих авторов (они пытались обнаружить ошибку в расчётах, но её не было).

Сверхновые, которыми занимались Нобелевские лауреаты, — это старые звёзды, которые заканчивают своё существование мощнейшим взрывом. На некоторое время сверхновая становится ярче целой галактики с её миллионами звёзд, а затем рассеивается в пространстве, образуя туманность. Яркость сверхновых настолько велика, что их можно наблюдать вплоть до самых границ видимой Вселенной. А зная светимость сверхновой, несложно найти расстояние до неё. И вот тут-то и оказалось, что часть этих объектов находится значительно дальше, чем следовало из современной космологической модели. А это значит, что Вселенная всегда расширялась с ускорением. И «распирает» её некая «тёмная энергия», более мощная, чем энергия гравитации. И Вселенную, похоже, ждёт конец не в пламени очередного Большого взрыва, а в непроглядной тьме и космическом холоде.

О природе самóй «тёмной энергии» пока приходится только гадать. Ею может быть некое поле, энергия физического вакуума (который не просто пустота, а сложная квантовая система). Именно это поле 14 миллиардов лет назад вызвало инфляцию новорождённой Вселенной, но и теперь, понизив свою напряжённость в огромном объёме современной Метагалактики, продолжает разгонять её границы.

Источник

«Опара» Вселенной. Как нобелевский лауреат устроил маленькую войну между космологами

Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад из точки с бесконечной плотностью, где привычные законы физики не имели смысла. Сначала Вселенная была чрезвычайно горячей, но, стремительно увеличиваясь в размерах, стала остывать. Через сотни тысяч лет сложились ядра атомов, появилось вещество, каким мы его знаем. Потом зажглись первые звезды, вокруг них завертелись планеты. Спустя где-то 4,5 млрд лет в галактике Млечный Путь загорелось Солнце. А неподалеку вращается планета Земля, где завелись люди и в последние 100 лет решили, что все так и было.

Ученые принимают такую картину мира потому, что она согласуется с основой современной физики — теорией относительности Альберта Эйнштейна и с явлениями, наблюдаемыми в космосе. Вот только в рамки принятых космологических моделей укладывается не все, что есть на небе. Одно из последних противоречий обнаружила группа исследователей под руководством Адама Рисса.

Хаббл против Эйнштейна

Во времена Эйнштейна считалось, что Вселенная однородна, неизменна и вечна (а наша галактика Млечный Путь и есть вся Вселенная). Так же думал и сам Эйнштейн. Но когда он решил уравнения своей теории относительности, его постигло разочарование.

Расчеты четко показывали, что Вселенная должна плавно уменьшаться под действием гравитации, стремясь сжаться в точку. Другая версия этих уравнений, выведенная советским математиком Александром Фридманом в 1922 году, говорила об обратном: Вселенная должна не сжиматься, а постоянно расширяться.

И тот и другой исход не понравился великому физику, и он ввел новую переменную в свои уравнения, которая позволяла удерживать Вселенную от схлопывания или безудержного расширения, — космологическую постоянную.

Эта идея продержалась недолго. Уже в 1929 году знаменитый астроном Эдвин Хаббл обнаружил, наблюдая за далекими галактиками в телескоп, что Вселенная не стоит на месте, как считал Эйнштейн, а в самом деле расширяется с примерно постоянной скоростью (и простирается за пределы Млечного Пути).

Это открытие вынудило Эйнштейна назвать космологическую постоянную «главной ошибкой жизни» и фактически приравнять ее к нулю для того, чтобы объяснить наблюдения Хаббла. Но оказалось, что Эйнштейн ошибался в том, что ошибался: космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительное значение.

«Хаббл» против «Планка»

Большинство звезд в космосе не одиночки, как Солнце, а вращаются в парах. Бывает и так, что одна из звезд мертва — от нее осталось только чрезвычайно плотное и раскаленное ядро, белый карлик. Если белый карлик перетянет на себя достаточно вещества соседки или просто с ней столкнется, случится чудовищный взрыв сверхновой — такой яркий, что затмевает свет целой галактики. А поскольку для этого необходима строго определенная масса, то мощность взрывов одинакова, и по ним удобно измерять расстояние: чем тусклее вспышка, тем дальше она возникла.

В конце 1990-х годов Рисс и его коллеги заметили, что у особо далеких сверхновых такого типа яркость ниже, чем предсказывали расчеты. Получалось, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, как предсказывал Хаббл, а делает это все быстрее и быстрее. Кроме прочего, это значит, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительное значение (поэтому-то Эйнштейн ошибался, что ошибался).

Открытие Рисса и его коллег было таким важным, что в 2011 году за него присудили Нобелевскую премию по физике: по четверти получили Адам Рисс и его коллега Брайан Шмидт, а оставшуюся половину — Сол Перлмуттер из другой исследовательской группы.

Ускорение, как считают космологи, обеспечивает темная энергия — нечто, что действует на материю в противовес гравитации. Что она собой представляет, до сих пор неизвестно, но, по расчетам, Вселенная на две трети состоит из темной энергии, а на видимую материю — звезды, планеты и нас с вами — приходится всего лишь одна двадцатая часть (оставшиеся 27% — темная материя).

Быстро или еще быстрее

Теперь среди космологов идут ожесточенные дебаты о том, когда именно началось ускорение, меняла ли темная энергия свои свойства в прошлом и будет ли она меняться в будущем. Дело в том, что Вселенная, как показывают наблюдения за очень далекими сверхновыми, начала расширяться далеко не сразу.

Как считают сегодня многие ученые, примерно 4−5 млрд лет назад темпы расширения Вселенной росли заметно медленнее. А вот потом в процесс «включилась» темная энергия, начавшая преобладать в энергетическом «бюджете» Вселенной.

За последние годы ученые еще больше все запутали. В июне 2016 года Адам Рисс и его коллеги попытались точно вычислить нынешнюю скорость расширения Вселенной. Их расчеты опирались на данные наблюдений при помощи телескопа «Хаббл» (назван в честь Эдвина) за переменными звездами-цефеидами, чья яркость колеблется плавно и которые поэтому тоже хорошо подходят для сверхточного измерения расстояния в космосе. Результаты наблюдений оказались крайне неожиданными.

Выяснилось, что две галактики или два любых других объекта, расположенных на расстоянии мегапарсека друг от друга (примерно 3 млн световых лет), разлетаются сейчас со скоростью около 73 км/с. Это значение выше, чем показывают данные, полученные при помощи космических телескопов WMAP и «Планк». Если верить этим инструментам, то нынешняя скорость расширения Вселенной — 68−69 км/с на мегапарсек.

Объяснений тут может быть как минимум два: или какие-то результаты наблюдений являются ошибочными, или же свойства темной энергии и манера расширения Вселенной заметно изменились за последние 7 млрд лет.

Космологические войны

Замеры и заявления Рисса и его коллег, а также другие открытия, связанные с изучением свойств ранней Вселенной, вызвали яростное неприятие у ряда космологов. Дошло до того, что весной 2017 года на страницах научных журналов и научно-популярных изданий вспыхнула небольшая «война», продолжающаяся до сих пор.

Рисс измерял скорость расширения в основном по близлежащим (разумеется, в космических масштабах) сверхновым и цефеидам. Его оппоненты считают, что по точности этот метод не сравнится с наблюдениями на WMAP и «Планке», которые наблюдают всю Вселенную в микроволновом спектре.

На это возражают, что выводы по данным с WMAP и «Планка» чересчур опираются на теоретические допущения, а Рисс и его единомышленники, наоборот, отталкиваются от фактических астрономических наблюдений в оптическом диапазоне. Кто же прав — «астрономы» или «космологи»?

Исследователи, не присоединившиеся ни к одному лагерю, предпочитают говорить, что для получения действительно точных значений скорости расширения Вселенной необходимо дождаться окончания сбора данных космическим телескопом Gaia, способным очень точно вычислять положение звезд, в том числе и цефеид, и запуска телескопа «Джеймс Уэбб», которому передаст вахту «Хаббл». Полные данные команда Gaia опубликует в 2022 году (хотя Рисс, сверившись с неполным датасетом обсерватории, утверждает, что они подтверждают его позицию); пуск «Джеймса Уэбба» намечен на март 2021 года.

Чем дальше в лес, тем больше дров

«Я уверен, что данные с «Планка» верны и что расхождений в измерениях не должно быть. Всегда, когда речь идет о космологических наблюдениях, мы должны использовать все небо, а не только некоторые его регионы, иначе нашим замерам будет мешать селекционный эффект (то, что мы видим только самые яркие источники) и другие вещи, такие как локальное движение», — говорит Олег Верходанов, космолог из Специальной астрофизической обсерватории РАН в Нижнем Архызе.

Иными словами, если бы Рисс и его коллеги рассмотрели больше цефеид и вспышек сверхновых, то их замеры скорости расширения Вселенной, как считает Верходанов, были бы ближе к результатам, полученным при анализе данных с «Планка» и WMAP. Соответственно, в будущем позиция нобелевского лауреата пошатнется.

Кое-что еще уже сейчас говорит не в пользу Рисса. В ходе крупнейшего оптического обзора неба SDSS и связанного с ним проекта BOSS были получены аналогичные значения, что и на телескопе «Планк». Как считает Верходанов, совпадения результатов в совершенно разных диапазонах волн полностью объясняют расхождения, зафиксированные Риссом, и показывают, что никакой проблемы на самом деле не существует.

Юбиляр и его сторонники тоже не сидели сложа руки и пытались подтвердить свои выводы, используя новые данные и другие методы вычисления расстояний до «маяков Вселенной» в Млечном Пути и близлежащих галактиках. У них появились основания полагать, что скорость расширения на самом деле еще выше, чем изначально предполагалось, и что существует не два, а три типа «темных субстанций»: темная материя, энергия, а также темное излучение (англ. dark radiation), первое время тормозившее расширение Вселенной.

Другие исследователи получали результаты как в пользу Рисса, так и против, используя принципиально иные методики наблюдений, не зависящие от цефеид, сверхновых или микроволнового «эха» Большого взрыва. А недавно в этом конфликте появился третий участник. В июле 2019 года астрофизики из США попытались вычислить скорость расширения Вселенной, наблюдая за престарелыми звездами, начавшими превращаться в красных гигантов. Эти замеры почти не уступали в точности двум «конкурентам», и при этом они не совпали ни с одной оценкой скорости расширения. В соответствии с этими расчетами она составляет 70 км/сек на мегапарсек.

Что будет значить победа Рисса (или всех сразу)

Все это говорит о том, что «космологическая война» пока далека от завершения. Как надеются все ее участники, новые спутники и телескопы помогут определить победителя уже в ближайшие годы. От этого зависит, будет ли у Рисса и его коллег (или их оппонентов) шанс еще раз взойти на верхнюю ступень научного пьедестала — получить Нобелевскую премию.

Вне зависимости от того, кто победит в этой «войне», судьба Вселенной, скорее всего, от этого радикально не изменится, и мироздание вряд ли ожидает «Большой разрыв» или «Большое сжатие» для всех трех возможных значений постоянной Хаббла. С другой стороны, если и замеры Рисса, и данные «Планка» окажутся верными, это будет означать, что существует физика за пределами стандартных космологических теорий, объясняющая то, почему скорость расширения мироздания изменилась с момента рождения Вселенной.

Если же окажется, что верны расчеты всех сторон в этом конфликте, то это укажет на кое-что более важное, чем на фаворита в гонке за золотой медалью. Тогда получится, что за пределами наших теорий о том, как устроена Вселенная, есть другая, новая физика. Ученым ничего не останется, кроме как разработать еще одну, великую теорию XXI века, по революционности сравнимую с теорией относительности и квантовой механикой. Такая теория снова перевернет с ног на голову наши представления о мире.

Александр Телишев

Источник