Если наши "стандартные свечи" окажутся не очень стандартными, останется ли тёмная энергия?
Периодически в науке происходят потрясающие открытия, навсегда меняющие наше представление о Вселенной. В конце 1990-х наблюдения удалённых сверхновых чётко показали, что Вселенная не просто расширяется, но что удалённые галактики увеличивают скорость убегания от нас. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии, рассказало нам о судьбе нашей Вселенной. Но среди ваших вопросов на этой неделе есть вопрос от Жуана Карлоса, упомянувшего новое исследование, и задавшего вопрос по его поводу:
Статья была написана по пресс-релизу Аризонского университета – я был там постдоком всего несколько лет назад. В ней говорится следующее:
Команда университета обнаружила, что тип сверхновых, обычно используемых для измерения расстояний во Вселенной, разделяются на ранее неизвестные категории.
Потенциально это очень серьёзный фактор, влияющий на наше понимание Вселенной и её судьбу. Давайте вернёмся на 100 лет назад, к уроку, который мы должны были выучить, и затем перенесёмся обратно в сегодняшний день, чтобы понять, зачем.
В 1923 году Эдвин Хаббл рассматривал непонятные, тусклые «спиральные туманности» в небе, изучая появляющиеся в них сверхновые и пытаясь добавить в копилку наших знаний сущность этих объектов. Некоторые спорили, что это зародыши звёзд в Млечном пути, другие считали, что это “островные Вселенные”, удалённые на миллионы световых лет от нашей Галактики, состоящие из миллиардов звёзд.
Наблюдая за большой туманностью в Андромеде 6 октября того года, он увидел взрыв новой звезды, затем второй, а затем – третий. И затем случилось нечто беспрецедентное: четвёртая новая появилась точно на месте первой.
Взрывы новых звезд иногда случаются повторно, но для этого им обычно требуются сотни и тысячи лет, поскольку это происходит, когда на поверхности сколлапсировавшей звезды скапливается горючее, в количестве, достаточном для возгорания. Из всех обнаруженных нами новых даже у самых быстрых звёзд повторное возгорание отнимает много лет. Идея повторной новой в течение нескольких часов была абсурдной.
Но существовал известный нам объект, который мог переходить из яркого в тусклое состояние и обратно за несколько часов: переменная звезда! (Поэтому он вычеркнул букву «N», обозначающую новую, и написал «VAR» – переменная).
Невероятная работа Генриетты Суон Ливитт научила нас, что некоторые звёзды во Вселенной – Цефеиды, пульсирующие переменные звёзды – переходят из яркого в тусклое состояние с определённым периодом, и этот период неразрывно связан с их истинной яркостью. Это важно, поскольку если вы измерите период (что сделать легко), вы узнаете истинную яркость звезды. А поскольку вы легко можете измерить видимую яркость, вы сразу же узнаете расстояние до объекта, поскольку отношение яркости к дальности известно уже сотни лет!
Хаббл использовал эту информацию о переменных звёздах и то, что мы можем найти их в этих спиральных туманностях (сегодня известных, как галактики), чтобы измерить их расстояние до нас. Он сопоставил их известное красное смещение с расстояниями и вывел закон Хаббла и скорость расширения Вселенной.
Круто, да? Но мы, к несчастью, часто представляем это открытие в слишком выгодном свете: заключения Хаббла о скорости расширения Вселенной были ошибочными!
Проблема была в том, что переменные Цефеиды, измеренные Хабблом в этих галактиках, отличались от Цефеид, измеренных Генриеттой Ливитт. Оказалось, что Цефеиды делятся на два класса, о чём Хаббл не знал. И хотя закон Хаббла работал, его изначальные прикидки расстояний оказались слишком малы, и поэтому его предположения о скорости расширения Вселенной оказались слишком велики. Со временем мы скорректировали их, и хотя общие выводы – что Вселенная расширяется, и что спиральные туманности являются галактиками, удалёнными от нашей – не поменялись, детали расширения однозначно изменились!
Перенесёмся в сегодняшний день.
Сверхновые светят ярче Цефеид, и часто могут превзойти по яркости – хотя и на короткое время – всю свою галактику! Вместо миллионов световых лет их можно увидеть, при благоприятных обстоятельствах, на расстояниях более десяти миллиардов световых лет, что позволяет нам заглядывать всё дальше и дальше во Вселенную. Кроме того, особый тип сверхновых, Ia, получается из вышедшей из-под контроля реакции синтеза внутри белых карликов.
При возникновении таких реакций уничтожается вся звезда целиком, но что важно, световая кривая сверхновой, то есть то, как она становится со временем ярче, а затем тусклее, хорошо известно, и имеет универсальные свойства.
К концу 1990-х было набрано достаточно данных по сверхновым, расположенным на достаточно больших расстояниях, и две независимые команды – Команда поиска сверхновых High-z [High-z Supernova Search Team] и Космологический проект по сверхновым [Supernova Cosmology Project] – объявили, что из этих данных следует ускорение расширения Вселенной, и что во Вселенной доминирует некая форма тёмной энергии.
Как и многие другие, я отнёсся к этому скептически, поскольку если бы сверхновые были не так хорошо изучены, как мы думаем, все эти заключения пришлось бы отбросить.
Во-первых, сверхновые могут появиться двумя разными путями: от аккреции материи со звезды-компаньона (L) и от слияния с другим белым карликом ®. Приведут ли эти пути к появлению одинаковых сверхновых?
Во-вторых, эти сверхновые, удалённые на огромные расстояния, могут появляться в условиях, сильно отличающихся от тех, что находятся близко к нам. Точно ли то, что видимые нами световые кривые соответствуют световым кривым на огромных расстояниях?
В-третьих, возможно, что с этим светом что-то произошло, пока он совершал своё удивительное путешествие на гигантское расстояние. Точно ли не существует нового типа пыли или какого-то свойства, приглушающего свет (к примеру, фотон-аксионных осцилляций)?
Оказывается, все эти вопросы можно разрешить и отмести. Они не являются проблемами. Но недавно – подходя к сути вопроса Жуана Карлоса – мы обнаружили, что эти т.н. «стандартные свечи» могут не быть такими уж стандартными. Точно так же, как Цефеиды бывают разных типов, эти сверхновые типа Ia тоже бывают разных типов.
Представьте, что у вас есть коробка свечей, которые вы считали идентичными: их можно было зажечь, поставить на разных расстояниях, и сразу же, измерив видимую яркость, узнать, как далеко они находятся. Эта идея используется в астрономии, и поэтому сверхновые типа Ia так нужны нам.
А теперь представьте, что пламя этих свечей имеет разную яркость! Внезапно, некоторые оказываются чуть ярче или чуть тусклее; у вас есть два типа свечей, и более яркие могут оказаться ближе к вам, а более тусклые – дальше.
Именно это мы, возможно, и открыли среди сверхновых: существует два разных класса, и один немного ярче в синем/ультрафиолетовом диапазоне, а другой ярче в красном/инфракрасном, и их световые кривые отличаются. Это может означать, что на красных смещениях (больших расстояниях) сами сверхновые просто тусклее, а не находятся дальше от нас.
Иными словами, наш вывод об ускорении расширения Вселенной может быть основан на неправильной интерпретации данных!
Если мы неправильно померили расстояния до этих сверхновых, может мы и насчёт тёмной энергии ошиблись! По крайней мере, по этому поводу мы бы сильно волновались. Мы волновались бы не так сильно, если бы тёмная энергия никуда не делась, но её было бы меньше, чем считалось ранее.
Так какие из этих поводов для волнений реальны? Оказывается, только повод для не сильного волнения. В 1998-м в пользу тёмной энергии говорили только данные по сверхновым. С течением времени мы собрали ещё два настолько же сильных и независимых доказательства.
1) Космическое микроволновое фоновое излучение. Флюктуации в остаточном от Большого взрыва свечении – измеренные проектом WMAP, а затем с большей точностью и проектом Plank – явно свидетельствуют, что во Вселенной содержится 5% нормальной материи, 27% тёмной материи и 68% тёмной энергии. И хотя микроволновое излучение само по себе не говорит о свойствах тёмной энергии, она говорит, что 2/3 энергии Вселенной находится в таком виде, который не комкуется и не принадлежит к массе.
Некоторое время это было проблемой, поскольку сами сверхновые говорили о том, что тёмная энергия составляет 3/4 от Вселенной, поэтому, возможно, новые открытия по сверхновым помогут нам лучше выстроить данные.
2) Способ, которым галактики собираются в скопления. В ранней Вселенной тёмная материя и нормальная материя – и то, как они взаимодействуют, или не взаимодействуют, с излучением – управляли тем, как галактики собрались к нынешнему моменту в скопления. Если вы посмотрите на какую-нибудь галактику во Вселенной, то обнаружите у неё странное свойство: другая галактика с большей вероятностью будет находиться на расстоянии 500 миллионов световых лет от неё, и с меньшей – на расстоянии 400 или 600 миллионов лет. Этот феномен известен как барионные акустические осцилляции [Baryon Acoustic Oscillations, BAO], и связан с тем, что нормальная материя испытывает давление излучения, а тёмная материя – не испытывает.
Штука в том, что Вселенная расширяется из-за всего, что в ней присутствует, включая тёмную энергию. Поэтому с расширением Вселенной это предпочтительное расстояние в 500 миллионов световых лет меняется. Вместо «стандартных свечек» BAO позволяет нам использовать «стандартную линейку», которую также можно использовать для измерения тёмной энергии.
Оказывается, что измерения, сделанные через BAO, получаются не хуже измерений, сделанных по сверхновым, и дают те же результаты: Вселенная состоит на 70% из тёмной энергии, и соответствует наличию космологической константы, а не стенам доменов, космическим струнам или другим экзотическим теориям.
Если мы скомбинируем все три набора данных, то обнаружим, что они дают нам примерно схожую картину.
Что мы узнали, так это что количество тёмной энергии и её тип, выводимый нами из сверхновых, может немного измениться, и это, возможно, даже поможет нам привести три указанных метода – сверхновые, КМФИ и BAO – в наилучшее соответствие. Это один из тех великих моментов науки, когда одно неправильное предположение не заставляет нас выбрасывать все результаты и выводы, но помогает более точно понять явление, которое повергало нас в недоумение с момента его обнаружения.
Тёмная энергия существует, и благодаря новому открытию, мы можем даже понять её – и её действие на Вселенную – лучше, чем ранее. Спасибо читателю за возможность поговорить о таком интересном открытии. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Одни: «Мир кончится в огне!»
-«Нет, — сгубит лёд!»
Коль страсти пыл известен мне,
Я б предпочёл гореть в огне.
Но если дважды гибель ждёт,
Сколь хрупок мир, могу понять,
Познавши ненависти лёд:
Чтоб мир сломать
И лёд сойдёт.
— Роберт Фрост
Периодически в науке происходят потрясающие открытия, навсегда меняющие наше представление о Вселенной. В конце 1990-х наблюдения удалённых сверхновых чётко показали, что Вселенная не просто расширяется, но что удалённые галактики увеличивают скорость убегания от нас. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии, рассказало нам о судьбе нашей Вселенной. Но среди ваших вопросов на этой неделе есть вопрос от Жуана Карлоса, упомянувшего новое исследование, и задавшего вопрос по его поводу:
Я тут прочитал статью на Eurekalert и подумал, что и вам тоже нужно её прочесть. Не могу дождаться ваших комментариев о ней.
Статья была написана по пресс-релизу Аризонского университета – я был там постдоком всего несколько лет назад. В ней говорится следующее:
Команда университета обнаружила, что тип сверхновых, обычно используемых для измерения расстояний во Вселенной, разделяются на ранее неизвестные категории.
Потенциально это очень серьёзный фактор, влияющий на наше понимание Вселенной и её судьбу. Давайте вернёмся на 100 лет назад, к уроку, который мы должны были выучить, и затем перенесёмся обратно в сегодняшний день, чтобы понять, зачем.
В 1923 году Эдвин Хаббл рассматривал непонятные, тусклые «спиральные туманности» в небе, изучая появляющиеся в них сверхновые и пытаясь добавить в копилку наших знаний сущность этих объектов. Некоторые спорили, что это зародыши звёзд в Млечном пути, другие считали, что это “островные Вселенные”, удалённые на миллионы световых лет от нашей Галактики, состоящие из миллиардов звёзд.
Наблюдая за большой туманностью в Андромеде 6 октября того года, он увидел взрыв новой звезды, затем второй, а затем – третий. И затем случилось нечто беспрецедентное: четвёртая новая появилась точно на месте первой.
Взрывы новых звезд иногда случаются повторно, но для этого им обычно требуются сотни и тысячи лет, поскольку это происходит, когда на поверхности сколлапсировавшей звезды скапливается горючее, в количестве, достаточном для возгорания. Из всех обнаруженных нами новых даже у самых быстрых звёзд повторное возгорание отнимает много лет. Идея повторной новой в течение нескольких часов была абсурдной.
Но существовал известный нам объект, который мог переходить из яркого в тусклое состояние и обратно за несколько часов: переменная звезда! (Поэтому он вычеркнул букву «N», обозначающую новую, и написал «VAR» – переменная).
Невероятная работа Генриетты Суон Ливитт научила нас, что некоторые звёзды во Вселенной – Цефеиды, пульсирующие переменные звёзды – переходят из яркого в тусклое состояние с определённым периодом, и этот период неразрывно связан с их истинной яркостью. Это важно, поскольку если вы измерите период (что сделать легко), вы узнаете истинную яркость звезды. А поскольку вы легко можете измерить видимую яркость, вы сразу же узнаете расстояние до объекта, поскольку отношение яркости к дальности известно уже сотни лет!
Хаббл использовал эту информацию о переменных звёздах и то, что мы можем найти их в этих спиральных туманностях (сегодня известных, как галактики), чтобы измерить их расстояние до нас. Он сопоставил их известное красное смещение с расстояниями и вывел закон Хаббла и скорость расширения Вселенной.
Круто, да? Но мы, к несчастью, часто представляем это открытие в слишком выгодном свете: заключения Хаббла о скорости расширения Вселенной были ошибочными!
Проблема была в том, что переменные Цефеиды, измеренные Хабблом в этих галактиках, отличались от Цефеид, измеренных Генриеттой Ливитт. Оказалось, что Цефеиды делятся на два класса, о чём Хаббл не знал. И хотя закон Хаббла работал, его изначальные прикидки расстояний оказались слишком малы, и поэтому его предположения о скорости расширения Вселенной оказались слишком велики. Со временем мы скорректировали их, и хотя общие выводы – что Вселенная расширяется, и что спиральные туманности являются галактиками, удалёнными от нашей – не поменялись, детали расширения однозначно изменились!
Перенесёмся в сегодняшний день.
Сверхновые светят ярче Цефеид, и часто могут превзойти по яркости – хотя и на короткое время – всю свою галактику! Вместо миллионов световых лет их можно увидеть, при благоприятных обстоятельствах, на расстояниях более десяти миллиардов световых лет, что позволяет нам заглядывать всё дальше и дальше во Вселенную. Кроме того, особый тип сверхновых, Ia, получается из вышедшей из-под контроля реакции синтеза внутри белых карликов.
При возникновении таких реакций уничтожается вся звезда целиком, но что важно, световая кривая сверхновой, то есть то, как она становится со временем ярче, а затем тусклее, хорошо известно, и имеет универсальные свойства.
К концу 1990-х было набрано достаточно данных по сверхновым, расположенным на достаточно больших расстояниях, и две независимые команды – Команда поиска сверхновых High-z [High-z Supernova Search Team] и Космологический проект по сверхновым [Supernova Cosmology Project] – объявили, что из этих данных следует ускорение расширения Вселенной, и что во Вселенной доминирует некая форма тёмной энергии.
Как и многие другие, я отнёсся к этому скептически, поскольку если бы сверхновые были не так хорошо изучены, как мы думаем, все эти заключения пришлось бы отбросить.
Во-первых, сверхновые могут появиться двумя разными путями: от аккреции материи со звезды-компаньона (L) и от слияния с другим белым карликом ®. Приведут ли эти пути к появлению одинаковых сверхновых?
Во-вторых, эти сверхновые, удалённые на огромные расстояния, могут появляться в условиях, сильно отличающихся от тех, что находятся близко к нам. Точно ли то, что видимые нами световые кривые соответствуют световым кривым на огромных расстояниях?
В-третьих, возможно, что с этим светом что-то произошло, пока он совершал своё удивительное путешествие на гигантское расстояние. Точно ли не существует нового типа пыли или какого-то свойства, приглушающего свет (к примеру, фотон-аксионных осцилляций)?
Оказывается, все эти вопросы можно разрешить и отмести. Они не являются проблемами. Но недавно – подходя к сути вопроса Жуана Карлоса – мы обнаружили, что эти т.н. «стандартные свечи» могут не быть такими уж стандартными. Точно так же, как Цефеиды бывают разных типов, эти сверхновые типа Ia тоже бывают разных типов.
Представьте, что у вас есть коробка свечей, которые вы считали идентичными: их можно было зажечь, поставить на разных расстояниях, и сразу же, измерив видимую яркость, узнать, как далеко они находятся. Эта идея используется в астрономии, и поэтому сверхновые типа Ia так нужны нам.
А теперь представьте, что пламя этих свечей имеет разную яркость! Внезапно, некоторые оказываются чуть ярче или чуть тусклее; у вас есть два типа свечей, и более яркие могут оказаться ближе к вам, а более тусклые – дальше.
Именно это мы, возможно, и открыли среди сверхновых: существует два разных класса, и один немного ярче в синем/ультрафиолетовом диапазоне, а другой ярче в красном/инфракрасном, и их световые кривые отличаются. Это может означать, что на красных смещениях (больших расстояниях) сами сверхновые просто тусклее, а не находятся дальше от нас.
Иными словами, наш вывод об ускорении расширения Вселенной может быть основан на неправильной интерпретации данных!
Если мы неправильно померили расстояния до этих сверхновых, может мы и насчёт тёмной энергии ошиблись! По крайней мере, по этому поводу мы бы сильно волновались. Мы волновались бы не так сильно, если бы тёмная энергия никуда не делась, но её было бы меньше, чем считалось ранее.
Так какие из этих поводов для волнений реальны? Оказывается, только повод для не сильного волнения. В 1998-м в пользу тёмной энергии говорили только данные по сверхновым. С течением времени мы собрали ещё два настолько же сильных и независимых доказательства.
1) Космическое микроволновое фоновое излучение. Флюктуации в остаточном от Большого взрыва свечении – измеренные проектом WMAP, а затем с большей точностью и проектом Plank – явно свидетельствуют, что во Вселенной содержится 5% нормальной материи, 27% тёмной материи и 68% тёмной энергии. И хотя микроволновое излучение само по себе не говорит о свойствах тёмной энергии, она говорит, что 2/3 энергии Вселенной находится в таком виде, который не комкуется и не принадлежит к массе.
Некоторое время это было проблемой, поскольку сами сверхновые говорили о том, что тёмная энергия составляет 3/4 от Вселенной, поэтому, возможно, новые открытия по сверхновым помогут нам лучше выстроить данные.
2) Способ, которым галактики собираются в скопления. В ранней Вселенной тёмная материя и нормальная материя – и то, как они взаимодействуют, или не взаимодействуют, с излучением – управляли тем, как галактики собрались к нынешнему моменту в скопления. Если вы посмотрите на какую-нибудь галактику во Вселенной, то обнаружите у неё странное свойство: другая галактика с большей вероятностью будет находиться на расстоянии 500 миллионов световых лет от неё, и с меньшей – на расстоянии 400 или 600 миллионов лет. Этот феномен известен как барионные акустические осцилляции [Baryon Acoustic Oscillations, BAO], и связан с тем, что нормальная материя испытывает давление излучения, а тёмная материя – не испытывает.
Штука в том, что Вселенная расширяется из-за всего, что в ней присутствует, включая тёмную энергию. Поэтому с расширением Вселенной это предпочтительное расстояние в 500 миллионов световых лет меняется. Вместо «стандартных свечек» BAO позволяет нам использовать «стандартную линейку», которую также можно использовать для измерения тёмной энергии.
Оказывается, что измерения, сделанные через BAO, получаются не хуже измерений, сделанных по сверхновым, и дают те же результаты: Вселенная состоит на 70% из тёмной энергии, и соответствует наличию космологической константы, а не стенам доменов, космическим струнам или другим экзотическим теориям.
Если мы скомбинируем все три набора данных, то обнаружим, что они дают нам примерно схожую картину.
Что мы узнали, так это что количество тёмной энергии и её тип, выводимый нами из сверхновых, может немного измениться, и это, возможно, даже поможет нам привести три указанных метода – сверхновые, КМФИ и BAO – в наилучшее соответствие. Это один из тех великих моментов науки, когда одно неправильное предположение не заставляет нас выбрасывать все результаты и выводы, но помогает более точно понять явление, которое повергало нас в недоумение с момента его обнаружения.
Тёмная энергия существует, и благодаря новому открытию, мы можем даже понять её – и её действие на Вселенную – лучше, чем ранее. Спасибо читателю за возможность поговорить о таком интересном открытии. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
