Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Наблюдения Хаббла свидетельствуют о расширении Вселенной. А если Вселенная расширяется, то все, что мы видим вокруг себя, в прошлом было ближе друг к другу. Если отмотать время подальше назад, то мы увидим, что все располагалось друг к другу так близко, что ближе просто не придумаешь. Теория Л еметра и наблюдения Хаббла не только свидетельствовали о расширяющейся Вселенной — они еще и рассказали о Большом взрыве.
Астрономическое сообщество не сразу приняло идею Большого взрыва. Возможно, на это повлиял тот факт, что теорию выдвинул священник и в глазах многих концепция была уж слишком похожа на библейское сотворение мира. Но были и более обоснованные возражения. Например, измерения Хаббла показали, что Большой взрыв произошел около миллиарда лет назад, что намного меньше предполагаемого возраста современной Вселенной. Да и вообще, уже тогда считалось, что Земля сформировалась более миллиарда лет назад. Как-то подозрительно: планета старше Вселенной. Но, как мы уже убедились на примере измерений Фрица Цвикки, ранние измерения расстояний имели значительные погрешности, потому что цефеиды были недостаточно хорошо изучены. Таким образом, используя неправильные данные о светимости цефеид, Хаббл и Леметр получили неправильное значение скорости расширения Вселенной. Позже все встало на свои места и возраст расширяющейся Вселенной перестал вызывать подозрения в сравнении с возрастом Земли. Но до открытия реликтового излучения в 1964 году астрономическое сообщество весьма холодно принимало теорию Большого взрыва.
Изменение скорости расширения
Одно дело — определить скорость расширения Вселенной. И другое — выяснить, всегда ли она была такой.
Представьте, что вы подбрасываете камень. Сначала его скорость будет стремительно увеличиваться, но потом сила притяжения Земли заставит камень замедлиться. Примерно так и ведет себя Вселенная, где существует исключительно «притягивающая» гравитация. Сначала Вселенная будет крайне быстро расширяться, а затем гравитационные силы замедлят процесс. Расширение будет происходить все медленнее и медленнее. Однако с отталкивающей гравитацией мы получим обратный эффект. Если вы бросите в воздух камень, взаимодействующий с отталкивающей гравитацией, его скорость увеличится. Точно так же отталкивающие силы гравитации заставят Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Именно ускоренное расширение пространства является главным указателем на темную энергию.
Плохие новости для материальной Вселенной
Вплоть до середины 1990-х годов считалось, будто существует только «притягивающая» гравитация. Тогда самой основной задачей было определить количество материи во Вселенной. Если бы оказалось, что материи много, то гравитация бы рано или поздно сильно замедлила расширение, а в конечном итоге вообще заставила бы Вселенную сжиматься. Получился бы так называемый «Большой хлопок» (Big Crunch) — как Большой взрыв, только наоборот. А если бы оказалось, что материи мало, силы притяжения не смогли бы остановить расширение. По мере роста Вселенной расширение бы замедлялось. Но в то же время вещество, создающее притягивающую гравитацию, будет распространяться по постоянно возрастающему объему и торможение не сможет остановить расширение. Вселенная будет расширяться вечно. Вопрос о судьбе Вселенной стал одним из важнейших.
И хотя отталкивающая гравитация в стандартной картине Вселенной до этого отсутствовала, все больше людей задавались вопросом существования определенных отталкивающих сил.
С возрастом Вселенной тоже не все так гладко. Давайте снова представим подброшенный вверх камень. Только на этот раз вы его не трогали, а просто наблюдаете из окна, как камень пролетает мимо. Предположим, вы решили измерить скорость и вышло 10 км/ч. Эта скорость понадобится, чтобы вычислить, сколько времени прошло с того момента, как камень подбросили. Если предположить, что на камень действует притягивающая гравитация, то это будет означать, что до того, как он достиг окна, скорость превышала 10 км/ч. А если отталкивающая, то камень должен был двигаться медленнее 10 км/ч до встречи с окном. Если считать, что на камень действовала отталкивающая гравитация, то лететь он должен был гораздо дольше, чем под действием обычной. А виной тому более низкая скорость.
 
Аналогия со Вселенной очевидна. Хаббл и его последователи измерили скорость расширения сегодня. Если мы предположим, что во Вселенной есть отталкивающая гравитация, то раньше она расширялась бы медленнее. Таким образом, время, прошедшее с момента Большого взрыва, будет больше, чем если бы Вселенная подвергалась воздействию только обычной гравитации.
В начале 90-х ученые столкнулись еще с одной проблемой: казалось, будто некоторые из самых древних звезд старше самой Вселенной. Отталкивающая гравитация позволила разобраться с этим парадоксом. Ведь так возраст Вселенной увеличится, а парадокс исчезнет.
Тем временем другие астрономы изучали общую картину крупномасштабных структур во Вселенной. Они каталогизировали местоположения нескольких миллионов галактик. Впоследствии их можно было использовать как карту распределения вещества. Результаты можно сравнить с нашими теоретическими расчетами о распределении галактик, если бы на эволюцию Вселенной влияла только обычная гравитация. Теория и наблюдения не совпадали. В короткой статье, написанной Джорджем Эфстатиу в соавторстве с другими учеными и опубликованной в престижном научном журнале Nature в 1990 году, утверждается, что наблюдения лучше соответствуют теоретическим расчетам, если считать, что бблыпую часть Вселенной на сегодняшний день составляет темная энергия. Имеются и другие результаты исследований, указывающие в том же направлении.
Потребность в отталкивающей гравитации начала просачиваться сквозь трещины нашего понимания Вселенной. Но большинство астрономов все еще скептически относились к столь экзотическому явлению, как темная энергия. Смелые заявления требовали надежных доказательств, вот только доказательства эти отсутствовали. В 1998 году две группы ученых опубликовали свои измерения далеких сверхновых. А вместе со сверхновыми на повестке дня вновь оказался вопрос о темной энергии.
Путь, освещенный вспышками звезд
Вспышка сверхновой — одно из мощнейших явлений Вселенной, во время которого гигантские звезды разлетаются на части. Во время взрыва сверхновая может на пару дней или недель превзойти яркостью целую галактику Но тут речь идет не только об эффектном явлении. Ведь, несмотря на разрушительную природу вспышек сверхновых, своим существованием человечество обязано остаткам сверхновой.
Первоначально, когда реликтовое излучение только образовалось, во Вселенной не было практически ничего, кроме атомов водорода и гелия — легчайших химических элементов. Было, правда, незначительное количество еще двух элементов — лития и бериллия. А все остальные химические элементы образовались вследствие ядерных реакций в звездах. Соответственно, даже земные кислород и углерод появились благодаря звездам. Когда звезда гаснет и умирает, все элементы разлетаются по космосу и начинают объединяться в новые системы, такие, например, как наша Солнечная. А потому можно с полной уверенностью сказать, что люди состоят не только из углерода, но и из звездной пыли.
Только вот незадача: звездные ядерные реакции не вырабатывают химических элементов тяжелее кислорода. Тем не менее на Земле полно более тяжелых элементов, таких как железо и свинец, не говоря уже о кремнии, который составляет до 28 процентов массы Земли. Львиная доля этих элементов образовалась при вспышках сверхновых. Иными словами, мы не просто звездная пыль — мы еще и пыль сверхновой. Без сверхновых нас вообще бы не было.
Как и многое другое во Вселенной, сверхновые встречаются всевозможных форм и размеров. По сути, наш старый знакомый Фриц Цвикки, швейцарец, изучавший скопления галактик, был пионером в классификации сверхновых и разделении их на подгруппы.