Как быстро расширяется Вселенная? Результаты могут указывать на нечто невероятное.
Если вы хотите узнать, как что-то работает во Вселенной, все, что вам нужно сделать, это выяснить, как некоторая измеримая величина даст вам необходимую информацию, пойти и измерить ее, и сделать свои выводы. Конечно, будут предубеждения и ошибки, а также другие смешанные факторы, и они могут ввести вас в заблуждение, если вы не будете осторожны. Противоядие от этого? Сделайте как можно больше независимых измерений, используя как можно больше различных методов, чтобы определить эти природные свойства как можно более надежно.
Если вы все делаете правильно, все ваши методы будут сходиться к одному и тому же ответу, и двусмысленности не будет. Если одно измерение или метод не работают, другие укажут вам правильное направление. Но когда мы пытаемся применить эту технику к расширяющейся Вселенной, возникает загадка: мы получаем один из двух ответов, и они несовместимы друг с другом. Это самая большая загадка космологии, и это может быть ключом, который нам нужен, чтобы раскрыть самые большие тайны нашего существования.
Мы знали с 1920-х годов, что Вселенная расширяется, и скорость расширения известна как постоянная Хаббла. С тех пор поколения пытаются определить «на сколько?»
Раньше существовал только один класс техники: лестница космических расстояний. Эта техника была невероятно простой и включала всего четыре шага.
- Выберите класс объектов, чьи свойства изначально известны, где, если вы измеряете что-то наблюдаемое о нем (например, его период колебания яркости), вы знаете что-то, присущее ему (например, его собственная яркость).
- Измерьте наблюдаемую величину и определите ее внутреннюю яркость.
- Затем измерьте видимую яркость и используйте свои знания о космических расстояниях в расширяющейся Вселенной, чтобы определить, насколько далеко она должна быть.
- Наконец, измерьте красное смещение рассматриваемого объекта.
Красное смещение связывает все это вместе. По мере расширения Вселенной любой свет, проходящий через нее, также будет растягиваться. Помните, что свет - это волна, и она имеет определенную длину волны. Эта длина волны определяет его энергию, и у каждого атома и молекулы во Вселенной есть определенный набор линий излучения и поглощения, которые возникают только на определенных длинах волн. Если вы можете измерить, на какой длине волны эти конкретные спектральные линии появляются в далекой галактике, вы можете определить, насколько расширилась Вселенная с момента, когда она покинула объект, и до того, как он появился у вас на глазах.
Объедините красное смещение и расстояние для различных объектов по всей Вселенной, и вы сможете выяснить, насколько быстро она расширяется во всех направлениях, а также как скорость расширения менялась с течением времени.
На протяжении всего 20-го века ученые использовали этот метод, чтобы попытаться выяснить как можно больше о нашей космической истории. Космология - научное исследование того, из чего состоит Вселенная, откуда она взялась, как она стала такой, какая она есть сегодня, и что ее ждет в будущем - многие высмеивали как поиск двух параметров: текущей скорости расширения и как скорость расширения менялась с течением времени. До 1990-х годов ученые не могли договориться даже по первому из них.
Все они использовали одну и ту же технику, но делали разные предположения. Некоторые группы использовали разные типы астрономических объектов, другие использовали разные инструменты с разными ошибками измерения. Некоторые классы объектов оказались более сложными, чем мы изначально думали. Но много проблем все же обнаружилось.
Если бы Вселенная расширялась слишком быстро, не хватило бы времени для формирования планеты Земля. Если мы сможем найти самые старые звезды в нашей галактике, мы будем знать, что Вселенная должна быть не менее старой, чем звезды в ней. И если бы скорость расширения менялась со временем, потому что в ней было что-то иное, чем материя или излучение - или другое количество материи, чем мы предполагали - , это проявилось бы в том, как скорость расширения менялась с течением времени.
Разрешение этих ранних противоречий было основной научной мотивацией для создания космического телескопа Хаббла. Ключевым проектом было проведение этого измерения, и оно было чрезвычайно успешным. Полученная скорость составила 72 км/с/Мпк с погрешностью всего 10%. Этот результат, опубликованный в 2001 году, разрешил спор, столь же старый, как и сам закон Хаббла. Наряду с открытием темной материи и энергии оно, казалось, дало нам полностью точную и непротиворечивую картину Вселенной.
Группа дистанционной лестницы за прошедшее время стала намного более сложной. В настоящее время существует невероятно большое количество независимых способов измерения истории расширения Вселенной:
- используя дальние гравитационные линзы,
- используя данные о сверхновых,
- используя вращательные и дисперсионные свойства далеких галактик,
- или используя флуктуации поверхностной яркости из-за спиралей лицом к лицу,
и все они дают один и тот же результат. Независимо от того, калибруете ли вы их по переменным звездам-цефеидам, звездам типа RR Лиры или красным гигантам, которым предстоит слияние с гелием, вы получите одно и то же значение: ~73 км/с/Мпк с погрешностью всего 2-3%.
Это была бы грандиозная победа космологии, если бы не одна проблема. Сейчас 2019 год, и есть второй способ измерить скорость расширения Вселенной. Вместо того, чтобы смотреть на отдаленные объекты и измерять, как эволюционировал излучаемый ими свет, мы можем использовать реликвии самых ранних стадий Большого взрыва. Когда мы это делаем, мы получаем значения ~67 км/с/Мпк с заявленной погрешностью всего 1-2%. Эти числа отличаются друг от друга на 9%, и неопределенности не перекрываются.
На этот раз, однако, все по-другому. Мы больше не можем ожидать, что одна группа будет права, а другая ошибается. Мы также не можем ожидать, что ответ будет где-то посередине и что обе группы допускают какую-то ошибку в своих предположениях. Причина, по которой мы не можем на это рассчитывать, заключается в том, что существует слишком много независимых линий улик. Если мы попытаемся объяснить одно измерение ошибкой, оно будет противоречить другому, уже сделанному измерению.
Общее количество вещей во Вселенной - это то, что определяет, как Вселенная расширяется с течением времени. Общая теория относительности Эйнштейна связывает воедино энергосодержание Вселенной, скорость расширения и общую кривизну. Если Вселенная расширяется слишком быстро, это означает, что в ней меньше материи и больше темной энергии, а это противоречит наблюдениям.
Например, мы знаем, что общее количество материи во Вселенной должно составлять около 30% от критической плотности, как видно из крупномасштабной структуры Вселенной, скопления галактик и многих другие источники. Мы также видим, что скалярный спектральный индекс - параметр, который говорит нам, как гравитация будет формировать связанные структуры в малых масштабах по сравнению с крупными - , должен быть немного меньше 1.
Если скорость расширения слишком высока, вы не только получите Вселенную со слишком небольшим количеством материи и слишком высоким скалярным спектральным индексом, чтобы соответствовать нашей Вселенной, вы получите Вселенную, которая слишком молода: 12,5 миллиардов лет вместо 13,8 миллиардов лет. Поскольку мы живем в галактике со звездами, которым более 13 миллиардов лет, это создало бы огромную загадку, которую невозможно разрешить.
Но, пожалуй, никто не ошибается. Возможно, ранние реликвии указывают на истинный набор фактов о Вселенной:
- ему 13,8 миллиарда лет,
- Соотношение темной энергии к темной материи и нормальной материи составляет примерно 70%/25%/5%,
- похоже, что скорость расширения находится на нижней границе 67 км/с/Мпк.
И, возможно, лестница расстояний также указывает на истинный набор фактов о Вселенной, где сегодня она расширяется с большей скоростью в космически близких масштабах.
Хотя это звучит странно, обе группы могут быть правы. Примирение может исходить из третьего варианта, который большинство людей пока не желает рассматривать. Вместо того, чтобы быть ошибочной группа лестницы расстояний или группа ранних реликвий, возможно, наши предположения о законах физики или природе Вселенной ошибочны. Другими словами, возможно, мы имеем дело не с полемикой; возможно, то, что мы видим, является ключом к новой физике.
Возможно, то, как мы измеряем скорость расширения Вселенной, на самом деле открывает что-то новое о природе самой Вселенной. Что-то во Вселенной могло меняться со временем, что было бы еще одним объяснением того, почему эти два разных класса техники могут давать разные результаты в истории расширения Вселенной. Некоторые варианты включают:
- наша локальная область Вселенной обладает необычными свойствами по сравнению со средней (которая уже находится в немилости),
- темная энергия со временем меняется неожиданным образом,
- гравитация ведет себя иначе, чем мы ожидали в космических масштабах,
- или существует новый тип поля или силы, пронизывающей Вселенную.
Вариант развития темной энергии представляет особый интерес и важность, поскольку это именно то, для измерения чего специально предназначена будущая флагманская астрофизическая миссия НАСА, WFIRST.
Прямо сейчас мы говорим, что темная энергия согласуется с космологической постоянной. Это означает, что по мере расширения Вселенной плотность темной энергии остается постоянной, а не становится менее плотной (как это происходит с материей). Тёмная энергия также может усиливаться со временем или изменяться в поведении: выталкивать пространство внутрь или наружу на разную величину.
Наши наилучшие ограничения на это сегодня, в мире до WFIRST, показывают, что темная энергия согласуется с космологической постоянной примерно на уровне 10%. С помощью WFIRST мы сможем измерять любые отклонения до уровня 1%: этого достаточно, чтобы проверить, содержит ли развивающаяся темная энергия ответ на полемику о расширяющейся Вселенной. Пока у нас нет этого ответа, все, что мы можем сделать, это продолжать уточнять наши лучшие измерения и смотреть на полный набор доказательств в поисках подсказок относительно того, каким может быть решение.
Это не какая-то второстепенная идея, когда несколько противоположных ученых придают слишком большое значение небольшой разнице в данных. Если обе группы правы - и никто не может найти изъян в том, что сделала одна из них - это может быть первым ключом к нашему следующему большому скачку в понимании Вселенной. Лауреат Нобелевской премии Адам Рисс, возможно, самая выдающаяся фигура в настоящее время, исследующая лестницу космических расстояний, был достаточно любезен, чтобы записать со мной подкаст, обсуждая, что именно все это может означать для будущего космологии.
Возможно, где-то по пути мы где-то ошиблись. Возможно, когда мы его опознаем, все встанет на свои места, как и должно быть, и не будет уже ни спора, ни загадки. Но также возможно, что ошибка заключается в наших предположениях о простоте Вселенной, и что это несоответствие проложит путь к более глубокому пониманию наших фундаментальных космических истин.