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

Вообще говоря, мы можем исследовать лишь две вещи. Во-первых, историю расширения Вселенной, которую мы в настоящее время изучаем, глядя на очень далекие сверхновые и вычисляя скорость их удаления. Во-вторых, историю формирования структуры Вселенной, под которой мы подразумеваем галактики и их скопления, поскольку космологов мало интересуют такие мелочи, как звезды и планеты. В данном случае процесс измерения является гораздо более сложным, но позволяет творчески использовать огромные массивы данных. Хитрость в том, чтобы получить изображения и спектры как можно большего числа галактик на гигантском пространстве (и большом отрезке космической истории), а затем с помощью статистических методов сделать выводы о процессе формирования этих структур. Комбинируя эти два способа измерения, мы можем выяснить, как растягивающие пространство свойства темной энергии повлияли на Вселенную в целом и насколько сильно они препятствовали объединению материи в такие структуры, как галактики, их скопления и мы сами.

Когда у вас есть лишь две вещи, которые вы можете измерить, чтобы определить судьбу Вселенной, имеет смысл постараться и сделать это как можно точнее. В последние двадцать лет наблюдался всплеск интереса к новым телескопам и методам съемки, применяемым в том числе для исследования темной энергии. Некоторые из них предназначены для выяснения значения параметра уравнения состояния темной энергии (см. главу 5) на основе результатов измерения скорости расширения и роста структур. Если на протяжении всей истории космоса значение w остается равным -1, мы имеем дело с космологической постоянной. А если оно хотя бы немного отклоняется от этого значения, то мы получим множество Нобелевских премий. Однако даже среди астрономов, не интересующихся темной энергией или не верящих в возможность обнаружения чего-то кроме космологической постоянной, исследования темной энергии пользуются популярностью в качестве универсальной миссии по сбору данных о галактиках.

Прекрасным примером является Большой обзорный телескоп (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), недавно переименованный в обсерваторию имени Веры Рубин (VRO, Vera C. Rubin Observatory). Этому телескопу размером 8,4 метра, расположенному в горах Чили, предстоит сфотографировать несколько миллионов сверхновых и 10 миллиардов галактик, производя съемку южного неба каждые несколько дней. Такая повторная съемка отлично подходит для исследований сверхновых, поскольку позволяет нам наблюдать за увеличением и уменьшением их яркости на протяжении нескольких дней, пока виден взрыв. Однако этот метод исследования отлично подходит и для изучения удаленных галактик, которые невозможно рассмотреть другими способами, поскольку позволяет накладывать друг на друга снимки, сделанные в разное время.

(В качестве отступления. Недавно я посетила конференцию на тему «Планетарная оборона», где докладчики обсуждали методы наблюдений, позволяющие обнаруживать потенциально опасные астероиды, которые могут столкнуться с нашей хрупкой маленькой планетой. Благодаря телескопу VRO мы сможем значительно раньше замечать такие объекты, по крайней мере в южном небе, а значит, у нас будет больше шансов их остановить. Меня очень радует мысль, что попытки понять темную энергию, которая грозит Вселенной гибелью, могут помочь нам спасти мир в краткосрочной перспективе.)

В каких бы целях ни использовался телескоп VRO, его значение для космологии невозможно переоценить хотя бы потому, что предоставленный им огромный массив качественных данных повышает вероятность того, что мы найдем что-то новое и удивительное. По словам Пейрис, VRO способен изменить правила игры. «Теперь мы видим Вселенную не так, как прежде, – сказала она. – А каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную иначе, мы узнаем что-то новое».

VRO – это далеко не единственная многообещающая программа наблюдений. В настоящее время появляется множество новых телескопов и способов съемки, и каждый способен показать нам космос таким, каким мы его еще не видели. К наиболее перспективным относится класс новых космических телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST, James Webb Space Telescope), телескоп «Евклид» (Euclid) и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST, Wide Field Infrared Survey Telescope), которые будут делать снимки глубокого космоса в инфракрасном диапазоне, позволяя нам увидеть галактики, находящиеся от нас так далеко, что весь их свет сместился из видимой в инфракрасную область спектра.

Даже обсерватории, изучающие реликтовое излучение, подключились к исследованию темной энергии. В главе 2 мы говорили о том, что изучение реликтового излучения может рассказать нам о ранней Вселенной и происхождении структуры космоса. В то время, когда был испущен свет реликтового излучения, темная энергия не играла во Вселенной никакой роли, ее эффект полностью компенсировался экстремальной плотностью вещества и излучения. Поэтому вас может удивить тот факт, что наблюдение реликтового излучения можно использовать, чтобы получить представление о текущем поведении темной энергии. Хитрость в том, что вся космическая структура, которую мы стремимся изучить, – все галактики и их скопления – находится между нами и реликтовым излучением, и каждый из этих объектов своей гравитацией слегка искривляет пространство, в котором находится.

Представьте, что у вас есть снимок пруда с чистой водой, сквозь которую видна галька на дне. Даже если вам неизвестно точное расположение и форма каждого камешка, вы, вероятно, сможете заметить разницу между спокойной и подернутой рябью водой, сравнив искаженный вид камешков с имеющимся у вас представлением о том, как они должны выглядеть. Подобным же образом мы можем, по крайней мере, в статистическом смысле, выявить небольшие вызванные веществом искажения в свете реликтового излучения. Так называемое линзирование реликтового излучения представляет собой фантастический инструмент для изучения процесса роста космической структуры. Мы надеемся усовершенствовать данный метод с помощью новых обсерваторий, предназначенных для исследования КМФИ, однако мы уже использовали эффект линзирования для составления карты распределения всей темной материи в наблюдаемой Вселенной. Разумеется, эта карта имеет очень низкое разрешение и напоминает размытую карту мира, воспроизведенную по памяти с помощью отпечатков пальцев, тем не менее тот факт, что мы вообще способны сделать что-то подобное, весьма впечатляет.

Рене Гложек, космолог из университета Торонто, использует карты реликтового излучения и галактик для лучшего понимания нашей космологической модели, в частности, темной энергии и конечной судьбы Вселенной. Она отмечает, что комбинирование наборов данных, собранных телескопами вроде VRO, и новыми обсерваториями, изучающими КМФИ, позволит добиваться все более значительных результатов по мере расширения этих наборов. Используя технику под названием «взаимная корреляция», мы можем сравнить данные о положении объектов из каталогов галактик с полномасштабной картой распределения вещества, составленной на основе эффекта линзирования реликтового излучения. Это позволит нам получить более точные результаты и уменьшит вероятность того, что мы упустим какие-либо отклонения от модели Лямбда-CDM. По словам Гложек, альтернативные теории, использующие изменения в гравитации для имитации эффектов темной энергии, в объединенных наборах данных будут выглядеть совсем иначе. «Я думаю, спрятаться им будет просто негде».