Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Одна из многих блестящих идей Эйнштейна заключалась в том, что гравитацию лучше всего понимать не как силу, действующую на объекты, а как искривление пространства вблизи объектов, обладающих массой. Представьте, что вы катаете теннисный мяч по поверхности батута. Теперь поместите в центр шар для боулинга. То, как изменяется траектория теннисного мяча возле шара для боулинга, очень похоже на то, как ведут себя космические объекты вблизи больших масс. Структура самого пространства изгибает траекторию объекта. Однако искривление пространства влияет не только на движение массивных объектов, – даже свет реагирует на структуру пространства, сквозь которое он путешествует. Подобно тому, как изогнутый оптоволоконный кабель позволяет свету поворачивать за угол, массивный объект может искривить пространство и изогнуть луч света. Из-за этого галактики и их скопления превращаются в искажающие линзы для объектов, находящихся позади них. Некоторые из наиболее убедительных доказательств существования темной материи были получены в результате выяснения того факта, что силу эффекта «гравитационного линзирования» нельзя объяснить только массой видимого нами вещества, то есть отчасти он обусловлен массой чего-то невидимого. Судя по всему, в космосе содержится очень много темной материи. Первые попытки определить вес материи во Вселенной, принимая во внимание исключительно видимые объекты, дали крайне неточные результаты. Вскоре после исследований, проведенных Верой Рубин, стало ясно, что большая часть материи во Вселенной является темной.

Однако даже после должного учета темной материи было трудно понять, превышает ли плотность вещества в космосе ту критическую отметку, которая отличает сжимающуюся Вселенную от вечно расширяющейся. Определение содержимого Вселенной было лишь частью проблемы; другая ее часть заключалась в выяснении скорости расширения пространства или динамики этого процесса на протяжении существования космоса. Решить эту задачу оказалось очень непросто.

Чтобы относительно точно измерить скорость космического расширения, происходящего на протяжении значительного периода истории Вселенной, необходимо исследовать огромное количество галактик, выяснив их скорость и фактическое расстояние до них. Астрономы вычислили локальную скорость расширения с помощью закона Хаббла – Леметра еще в 1929 году (хотя точное значение коэффициента пропорциональности обсуждалось на протяжении десятилетий и до сих пор остается предметом спора). Однако для того чтобы ответить на вопрос о возможном Большом сжатии, нам нужно выяснить скорость расширения Вселенной в разные эпохи, а значит, нам придется иметь дело с огромными расстояниями. Вычислить скорость галактики нетрудно, – для этого достаточно измерить красное смещение. Но точное измерение расстояния в миллиарды световых лет представляет собой гораздо более сложную задачу.

В конце 1960-х годов астрономы пытались высчитать расстояния и скорости галактик по фотопластинкам с изображениями и, несмотря на довольно большую неопределенность, заявили о том, что наша Вселенная обречена на сжатие. Это побудило нескольких астрономов написать ряд весьма интересных статей о том, как может развиваться данный процесс. То было очень интересное время.

В конце 1990-х годов астрономы разработали более точный метод измерения скорости расширения Вселенной, объединив несколько способов вычисления космического расстояния и применив их к чрезвычайно удаленным взрывающимся звездам. Наконец, они смогли провести точные измерения и раз и навсегда определить судьбу Вселенной. То, что они обнаружили, шокировало практически всех, принесло троим ученым Нобелевскую премию и полностью подорвало наше понимание основ физики.

Выяснение того факта, что нам почти наверняка не грозит гибель в огне во время Большого сжатия, оказалось слабым утешением [35] Наше нынешнее понимание не говорит о невозможности сжатия Вселенной. Если темная энергия, о которой мы поговорим в следующей главе, обладает особенно странными и неожиданными свойствами, она может обратить процесс расширения пространства вспять. Однако полученные до сих пор данные на это не указывают. . Альтернативой сжатию является вечное расширение, которое подобно бессмертию, только на первый взгляд кажется чем-то хорошим. С одной стороны, мы не обречены на гибель в космическом аду. С другой – наиболее вероятная судьба нашей Вселенной по-своему гораздо более удручающа.

Одно из моих самых ранних воспоминаний, связанных с астрономией, – это статья из журнала Discover 1995 года, в которой говорилось о «кризисе в космосе». В данных обнаружилось нечто невообразимое, – судя по ним, Вселенная была моложе существующих в ней звезд.

Все тщательные расчеты, основанные на экстраполяции текущего расширения вплоть до Большого взрыва, говорили о том, что возраст Вселенной составляет от 10 до 12 миллиардов лет, тогда как возраст самых старых звезд в соседних древних скоплениях, согласно результатам вычислений, составляет около 15 миллиардов лет. Разумеется, оценка возраста звезд не всегда позволяет получить точный результат, поэтому есть вероятность, что после сбора дополнительных данных звезды окажутся на один или два миллиарда лет моложе, чем выглядят. Однако увеличение возраста Вселенной с целью решения этой проблемы породило бы еще большую путаницу. Чтобы сделать Вселенную старше, потребовалось бы отказаться от теории космической инфляции – одного из важнейших прорывов в исследовании ранней Вселенной со времен открытия самого Большого взрыва.

Астрономам потребовалось три года, чтобы проанализировать данные, пересмотреть теории и разработать совершенно новые способы измерения, прежде чем им удалось найти решение, не «разрушающее» раннюю Вселенную. Правда, оно разрушило все остальное. Полученный ответ породил новый вид физики, вплетенный в саму ткань космоса, который полностью изменил наш взгляд на Вселенную и заставил пересмотреть ее будущее.

Ученые, которые в конце 1990-х решили проблему возраста Вселенной, не стремились революционизировать физику. Они всего лишь пытались ответить на, казалось бы, простой вопрос: насколько быстро замедляется процесс расширения Вселенной? На тот момент было общеизвестно, что расширение космоса инициировано Большим взрывом, и с тех пор оно замедляется под воздействием гравитации всех содержащихся во Вселенной объектов. Измерение так называемого параметра замедления должно было помочь выяснить соотношение между направленным вовне импульсом от Большого взрыва и направленной внутрь силой тяготения всех компонентов Вселенной. Чем выше параметр замедления, тем сильнее гравитация тормозит космическое расширение. Высокое значение говорит о том, что Вселенная обречена на Большое сжатие, а низкое – о том, что, несмотря на замедление, процесс расширения никогда полностью не прекратится.