Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали
В декабре человечество, наконец, получило то, чего ученые-астрономы ждали почти вечность: точное расстояние от Земли до звезд. Однако, как часто бывает в науке, новые данные породили предположение о наличии ранее неизвестной загадки, решение которой может стать «открытием века».
Из новых данных может следовать «новая физика»
«Не могу описать, насколько я взволнован», — сказал в интервью научно-просветительскому Quanta Magazine Адам Рисс. Профессор из университета Джонса Хопкинса, получивший Нобелевскую премию по физике 2011 года за совместное открытие темной энергии, занимается сейчас изучением новых данных, взволновавших научное сообщество.
Эти данные были получены 3 декабря с корабля Gaia Европейского космического агентства, который последние шесть лет наблюдал за звездами с высоты более миллиона километров от Земли. Телескоп измерил «параллаксы» 1,3 миллиарда звезд – крошечные сдвиги в видимом положении небесных тел, которые показывают их расстояния от нас.
Самая большая радость для космологов в том, что новый каталог Gaia включает в себя звезды, расстояния до которых служат мерилом для измерения всех наиболее далеких космических расстояний. Но неожиданно новые данные обострили самую большую загадку современной космологии: быстрое расширение Вселенной, известное как «хаббловская напряженность».
Все забеспокоились. Дело в том, что все основные уравнения говорят о том, что в настоящее время она должна расширяться со скоростью 67 километров в секунду на мегапарсек (то есть такова скорость разлета двух галактик, если между ними расстояние в 1 Мпк). И все же фактические измерения постоянно превышают отметку. Галактики слишком быстро удаляются. Это несоответствие наводит на мысль, что в космосе может действовать какая-то неизвестная оживляющая сила.
«Было бы невероятно интересно, если бы появилась новая физика», — сказал Рисс. «Я надеюсь, что из этого получится грандиозное открытие, но вначале нужно убедиться, что наши измерения полностью верны. Прежде, чем мы сможем сказать об этом однозначно, нам предстоит еще немало работы. Сейчас уже меньше неопределенности, так как новые данные о параллаксе, похоже, почти точно определяют расстояния до звезд».
Число из этой главы знает пока очень мало людей на Земле
В статье, опубликованной 15 декабря в The Astrophysical Journal, команда Рисса использовала новые данные. У них получилось зафиксировать скорость расширения на уровне 73,2 километра в секунду на мегапарсек с погрешностью всего 1,8%. Это, по-видимому, устранило большинство несоответствий в ранее полученных данных.
Если бы параллаксы было легко измерить, Копернику было бы гораздо легче отстоять свою правоту. Николай Коперник предположил в 16 веке, что Земля вращается вокруг Солнца. Но, по мнению ученых того времени, если бы Земля двигалась, то близлежащие звезды визуально смещались бы так же, как фонарный столб «двигается» по отношению к заднему плану, когда мы мимо него проезжаем.
Астроном Тихо Браге не обнаружил такого звездного параллакса и, таким образом, пришел к выводу, что Земля не движется.
И все же, это не так, и звезды действительно сдвигаются, просто мы не замечаем этого, так как они очень далеко. Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Бессель обнаружил параллакс звезд. Измеряя угловой сдвиг звездной системы 61 Лебедя относительно окружающих звезд, Бессель пришел к выводу, что она находится на расстоянии 10,3 световых лет от нас. Его измерения отличались от истинного значения всего на 10% – новые измерения Gaia помещают две звезды в системе на расстоянии 11,4030 и 11,4026 световых лет, плюс-минус одна или две тысячных светового года.
Но система 61 Лебедя исключительно близка, а вот звезды Млечного Пути смещаются всего на десятитысячные доли угловой секунды – сотые доли пикселя в современной камере телескопа. Для обнаружения движения требуются специализированные сверхстабильные инструменты. Gaia был разработан для этой цели, но когда он включился, у телескопа возникла непредвиденная проблема.
Телескоп работает, глядя одновременно в двух направлениях и отслеживая угловые различия между звездами в двух своих полях зрения, объяснил Леннарт Линдегрен, который стал соавтором миссии Gaia в 1993 году и руководил анализом новых данных о параллаксе. Для точной оценки параллакса необходимо, чтобы угол между двумя полями обзора оставался фиксированным. Но в начале миссии Gaia ученые обнаружили, что это не так. Телескоп слегка изгибается при вращении по отношению к Солнцу, что приводит к колебаниям в измерениях, имитирующих параллакс. Хуже того, это «смещение» параллакса сложным образом зависит от положения, цвета и яркости объектов.
Однако по мере накопления данных ученым Gaia было легче отделить «поддельный» параллакс от реального. Линдегрену и его коллегам удалось устранить большую часть колебаний телескопа из недавно обнародованных данных о параллаксе, а также разработать формулу, которую исследователи могут использовать для корректировки окончательных измерений в зависимости от положения, цвета и яркости звезды.
Располагая новыми данными, Рисс и его команда смогли пересчитать скорость расширения Вселенной. В общих чертах, для измерения космического расширения нужно выяснить, насколько далеки от нас галактики и как быстро они удаляются от нас. Измерения скорости просты, а вот с расстояниями все сложнее.
«Неизвестный компонент»
Людмила Трубилко, преподаватель физики высшей категории, пояснила это вопрос: «Самые точные измерения полагаются на замысловатую шкалу расстояний в астрономии. Первая ступень состоит из стандартных свечей в нашей галактике и вокруг нее, которые имеют четко определенную светимость и достаточно близки, чтобы демонстрировать параллакс — единственный надежный способ определить, насколько далеко объекты, не путешествуя туда. Затем астрономы сравнивают яркость этих стандартных свечей с яркостью более тусклых свечей в соседних галактиках, чтобы определить расстояние до них. Это вторая ступенька лестницы. Измерение расстояния до галактики, которая содержит яркие звездные взрывы, называемые сверхновыми типа 1a, позволяет космологам оценить относительные расстояния до более далеких галактик, содержащих более слабые сверхновые типа 1a. Отношение скоростей этих далеких галактик к их расстояниям дает скорость космического расширения».
Таким образом, параллаксы имеют решающее значение для всей конструкции. «Вы меняете первую ступеньку», — говорит Трубилко. — «Затем все, что следует за ней, тоже меняется. Если вы измените точность первого шага, изменится точность всего остального».
Физик с надеждой смотрит на открытия своих коллег и видит большой потенциал данных Gaia: «Параллаксы Gaia, безусловно, являются наиболее инновационным и точным определением расстояния из когда-либо существовавших. Новые данные дают астрономам новую надежду. Они, похоже, действительно корректны при внимательных подсчетах и полностью меняют то, как мы смотрим на напряжение Хаббла. Если во вселенной есть какой-то неизвестный нам компонент, который получится обнаружить, то это будет открытием века».
Источник
Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется. С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
Какова будет конечная судьба Вселенной — вечное расширение или великий крах? Ключом к этому является понимание «темной энергии» — самой большой загадки современной астрофизики, которая также является причиной ускорения, которое началось внезапно 4-5 миллиардов лет назад.
Только в конце двадцатого века ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением. Его начало — около 5 миллиардов лет назад, относительно скоро до возраста вселенной, которой почти 14 миллиардов лет. Это оказался огромным сюрпризом для всех ученых, потому что, согласно тогдашним теориям, вселенная должна замедляться, а не ускорять свое расширение.
На самом деле, сам Эйнштейн столкнулся с проблемами, связанными с идеей об изменяющейся, а не статичной вселенной. Великий ученый считает, что почти до самого конца своей жизни вселенная должна быть статичной и неизменной — и при этом она не должна расширяться или уменьшаться. Именно по этой причине он меняет свои уравнения, которые говорят об обратном, и добавляет к ним так называемые космологическая постоянная, которая препятствует расширению пространства.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным. И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Но это остается проблемой. Предполагая, что был начальный Большой взрыв, который «раздувает вселенную» и обеспечивает сравнительную однородность пространства в большом масштабе, и в любом направлении, которое так, и мы наблюдаем это, если будет какой-либо энергетический след этого первичного колоссального взрыва, который мы можем видеть? Оказывается, есть доказательство.
Это так называемый космическое микроволновое фоновое излучение, также называемое остаточным или реликтовым излучением. Идея состоит в том, что, когда вселенная очень молода, она находится в чрезвычайно плотном и горячем состоянии плазмы и непрозрачна. Во время процесса расширения его температура снижается, и он начинает охлаждаться. При более низкой температуре могут образовываться стабильные атомы, но они не могут поглощать тепло, и Вселенная становится прозрачной (примерно через 300-400 лет после взрыва). Это время, когда испускаются первые фотоны, которые даже сегодня циркулируют в пространстве и могут быть обнаружены нами. Поэтому их излучение называется реликтовым, т.е. остаточное. Этот момент — также самая далекая вещь, которую мы можем видеть с нашими телескопами.
В 1964 году два радиоастронома — Арно Пензиас и Роберт Уилсон — экспериментально обнаружили эффект реликтового фона — устойчивый микроволновый «шум» с температурой около 2,7 Кельвина, равномерный в любой точке неба без связи со звездой или другим объектом. Это голос космоса, остаток взрыва, породившего нашу вселенную. Это окончательное доказательство справедливости теории Большого взрыва, за которую два радиоастронома получили Нобелевскую премию в 1978 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Помимо неоспоримого доказательства Большого взрыва, реликтовое излучение дало нам еще кое-что. Зонд WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона), запущенный в 2001 году, отображает космическое фоновое излучение в наблюдаемой Вселенной. Различный цвет рисунка соответствует небольшой разнице в температуре излучения. В результате излучение является однородным с точностью до пяти знаков после запятой. Однако там, после пятого знака, что-то интересное и удивительное — темная материя.
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Результаты WMAP также можно использовать для проверки геометрии юниверса — закрытой, открытой или плоской.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас. Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
Это могут быть переменные звезды особого типа, так называемые Цефеиды. Они пульсируют одинаково, т.е. излучать один и тот же световой поток через равные промежутки времени. Другими такими объектами, которые являются еще более точными показателями расстояний, являются вспышки сверхновых типа IA. Они представляют собой термоядерное разрушение звезды (фактически пары звезд). Из-за особенностей процесса всегда выделяется одна и та же энергия. Вот почему сверхновые IA — наши самые известные стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Это огромный парадокс, и причина ускоренного расширения пока неизвестна. Чтобы объяснить это, ученые вновь вводят космологическую постоянную Эйнштейна в уравнения, но с противоположным знаком — то есть он действует как антигравитация и целесообразно расширяет пространство.
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
Источник