Возможно, крупнейшее открытие о Вселенной мы сделали в конце прошлого века, обнаружив одну из самых странных космических истин: далекие галактики не просто улетают от нас, пока время движется вперед, но и улетают все быстрее и быстрее. Открытие ускоряющегося расширения Вселенной в рамках Supernova Cosmology Project при помощи команды High-z Supernova Search Team принесло ученым Нобелевскую премию по физике. Пока это одно из самых странных и необычных явлений во Вселенной.
Дело в том, что Вселенная не всегда ускорялась, улетая от нас прочь. В течение миллиардов лет расширение замедлялось, и кому-то, живущему десять миллиардов лет назад, могло показаться, что она стягивается. Что же произошло?
В 1920-х годах было представлено четыре элемента доказательства — три наблюдаемых и один теоретический — того, что Вселенная расширялась. Вот они:
- Открыли то, что спиральные туманности ночного неба были настоящими галактиками, или «островными Вселенными», содержащими миллиарды звезд и расположенными далеко за пределами Млечного Пути.
- Измерение красных и синих смещений этих галактик Весто Слифером показало, как быстро эти галактики либо удаляются от нас (по красному смещению), либо приближаются к нам (по синему смещению), и подавляющее большинство следовало первому сценарию.
- Измерения дистанций до каждой из этих галактик были проведеы Эдвином Хабблом и его ассистентом Милтоном Хьюмасоном. В сочетании с наблюдениями Слифера, они выявили четкое соотношение: чем дальше была галактика, тем быстрее, казалось, она от нас удаляется.
- Наконец, мощный теоретический скачок, произведенный благодаря эйнштейновской общей теории относительности: осознание того, что Вселенная, которая наполнена галактиками примерно одинаковой плотности во всех направлениях, должна быть нестабильной, если только не будет расширяться или сжиматься.
Это привело к картине Вселенной 1929 года: она была горячее, плотнее и расширялась быстрее в прошлом, а после становилась холоднее, менее плотной и медленнее расширялась с течением времени.
Это вполне логично с точки зрения Большого Взрыва. Представьте себе Большой Взрыв как стартовый пистолет великой космической гонки, гонки между первоначальным расширением с одной стороны, которое сначала было весьма быстрым, и гравитацией с другой стороны, которая стягивает все вместе. Легко представить три разных варианта, каждый из которых приводит к различному темпу Вселенной:
- Большое Сжатие. Возможно, изначально темп расширения был весьма высоким, но сила гравитации оказалась сильнее. Расширение должно замедлиться и прекратиться. Вселенная должна достичь максимального размера и начать сжиматься. И, наконец, она должна коллапсировать заново, вернувшись в состояние, предшествующее Большому Взрыву.
- Большое Замерзание. Это сценарий, противоположный предыдущему: в котором расширение начинается быстро, а гравитация его замедляет, но недостаточно. Расширение длится вечно, гравитация его все время замедляет, но не может остановить. Этот сценарий известен как тепловая смерть Вселенной: Большое Замерзание.
- Критическая Вселенная. Существует также возможность того, что вы окажетесь посередине, когда скорость расширения и гравитация уравновесят друг друга, и скорость расширения будет замедляться с течением времени. Одной частицей меньше, одной частицей больше во Вселенной — и вы получите первый или второй сценарий. Но этой частицы не существует. Сценарий «критической Вселенной» приведет к самой медленной из возможных тепловой смерти.
Миллиарды лет казалось, что критический вариант победит. Видите ли, когда вы живете во Вселенной и смотрите на различные галактики, вы не только можете измерить современный темп расширения, но и, глядя на самые далекие галактики, измерить также, каким был темп расширения в начале истории Вселенной.
На этом снимке показаны уже недостижимые для нас галактики
Миллиарды лет — около семи миллиардов, если быть точным, — казалось, что мы живем в критической Вселенной. Расширение началось в эпоху излучения (фотонов и нейтрино), а затем все остыло достаточно, чтобы началась эпоха материи (как обычной, так и темной). По мере того, как Вселенная продолжала расширяться, плотность материи падала и падала, поскольку объем материи увеличивался, а масса оставалась прежней.
Но в какой-то момент плотность вещества упала до такого низкого значения, что проявился другой, более тонкий вкладчик в плотность энергии Вселенной: темная энергия. Примерно за семь миллиардов лет величина темной материи достигла нескольких процентов от общей плотности энергии, и к моменту, когда Вселенной исполнилось 7,8 миллиарда лет, плотность темной энергии достигла важной величины: 33% от всей плотности энергии во Вселенной. Это важно, поскольку такое количество темной энергии необходимо, чтобы темп расширения начал расти.
С тех пор, около 6 миллиардов лет назад, плотность материи начала снижаться, а темная энергия оставалась постоянной. В настоящее время темная материя составляет около 68% общей энергии Вселенной, а материя упала до 32% в общем (27% темная материя и 5% обычная материя). С течением времени, в будущем, плотность материи будет продолжать падать, тогда как плотность темной энергии будет оставаться постоянной, темная энергия будет все более и более преобладающей.
Плотность энергии во Вселенной в разное время в ее прошлом
Для отдельных галактик это будет значить, что галактика, которая начала удаляться от нас в момент Большого Взрыва быстрее других, продемонстрирует очевидный спад скорости (с нашей точки зрения) в первые 7,8 миллиарда лет. Затем скорость замедления перестанет падать и некоторое время будет оставаться неизменной. Потом начнет расти, и галактика начнет удаляться от нас еще быстрее, чем прежде, поскольку пространство между нами и далекими галактиками расширяется с огромной скоростью. В определенный момент — и это пугает, поскольку применимо к 97% галактик в нашей видимой Вселенной — каждая галактика за пределами нашей местной группы будет удаляться на скорости, превышающей скорость света, став, таким образом, недосягаемой для нас вследствие физических ограничений.
Желтым обведен нынешний размер видимой Вселенной: 46 миллиардов световых лет; розовым обведен достижимый для нас размер: 14,5 миллиарда световых лет
Насколько мы можем судить, Вселенная всегда имела количество темной энергии, которое имеет сейчас, присущее самому космосу. Но потребовалось 7,8 миллиарда лет, или вся история Вселенной за полтора миллиарда лет до того, как образовалась наша Солнечной система, чтобы плотность материи упала до такого уровня, что темная энергия возымела власть над расширением Вселенной. С тех пор все галактики за пределами нашей местной группы удаляются от нас и будут удаляться, пока не исчезнет последняя. Вселенная расширяется в течение последних шести миллиардов лет, и, если бы мы появились раньше, мы могли бы и не выйти за пределы этих трех вариантов, предложенных нашей интуицией. В лучшем случае мы могли бы лишь предполагать, какой в точности является Вселенная. И это было бы нашей самой большой наградой.
