Многие из нас не осознают, что судьба Вселенной, управляемая законами Общей теории относительности, и начавшаяся с Большого взрыва 13,8 млрд лет назад, была предопределена с самого её рождения. Начальные условия – это гонка между первичным расширением, работающим на разбрасывание материи и энергии в стороны, и гравитацией, работающей на стягивание всего вместе, замедление расширения и, по возможности, сжатия Вселенной в коллапсе. Если мы знаем, как расширяется Вселенная, и как это происходило в прошлом, мы можем рассчитать, из чего она состоит и какова будет её судьба – но только, если мы способны точно измерить прошлое.
На этой неделе я получил огромное количество вопросов по поводу новости, сообщающей, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось. Проблема в следующем: если судьба Вселенной зависит от скорости расширения, текущей и прошлой, и мы измерили её неправильно, могут ли наши выводы о Вселенной также быть неправильными? Может ли в ней не быть тёмной энергии? Может ли статься, что Вселенная вовсе не ускоряется от нас? Может ли скорость расширения замедляться и в будущем превратиться в Большое сжатие? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо обратиться к научной основе происходящего.
Простейший способ измерить расширение Вселенной – наблюдать за хорошо известными нам объектами. Это отдельные звёзды, вращающиеся галактики, сверхновые, и т.п. Мы можем измерять их видимую яркость и красное смещение. Если мы знаем реальную яркость объекта – а для хорошо изученных объектов мы это знаем – и измерим его видимую яркость, мы можем рассчитать, как далеко он находится, точно так же, как мы можем выяснить расстояние до 60-ваттной лампы, измерив её видимую яркость. Астрономы зовут такие объекты «стандартные свечи», поскольку эта идея родилась задолго до лампочек. Поскольку Вселенная расширяется, измерение красного смещения и расстояния позволяет нам наблюдать, как пространство расширяется сегодня. А работая со всё большими и большими расстояниями, мы можем наблюдать, как изменялась скорость расширения со временем.
Концепция работает для множества разных объектов: переменных звёзд-цефеид, флуктуаций на поверхности спиральных галактик, эволюционирующих красных гигантов, вращающихся спиральных галактик и сверхновых типа Ia – последние можно находить на самых больших расстояниях. Комбинация этих методов использовалась в 90-х и 2000-х для определения хаббловской скорости расширения Вселенной с невероятной точностью: 72 ± 7 км/с/Мпк. Это был прорыв по сравнению с предыдущими оценками, варьировавшимися от 50 до 100. Космический телескоп Хаббла, сделавший эти измерения, и был назван так из-за намерения измерить константу Хаббла!
Но с того времени мы ещё больше уточнили измерения и уменьшили погрешности, что привело к новой проблеме: разные измерения дают разные величины скорости расширения.
Один способ измерить историю расширения Вселенной – обратиться к реликтовому излучению, остаточному свечению Большого взрыва. Его флуктуации и некоторые общие свойства позволяют нам вычислить скорость расширения. Спутник Планк выдаёт нам значение в 67 ± 2 км/с/Мпк, что совпадает с предыдущими измерениями, увеличивая точность. Из скопления галактик на крупнейших масштабах (барионные акустические осцилляции), измеренных в проекте Sloan Digital Sky Survey и других, мы получаем величину в 68 ± 1 км/с/Мпк. И два этих измерения выдают нам значения, соответствующие как предыдущим измерениям, так и друг другу. Но если мы обратимся к данным по цефеидам и сверхновым, когда в одной и той же галактике мы изучаем цефеиды и сверхновые типа Ia, мы получим настолько же точную величину, которая, однако, не совпадает с другими: 73 ± 2 км/с/Мпк.
Вот из-за этого и идёт весь сыр-бор. Некоторые начали предлагать экзотические альтернативные теории, типа эволюционирующей тёмной энергии, а другие уже ставят под сомнение основы космологии. Но вполне возможно, и даже вероятно, что проблемы вообще не существует. В эти ошибки не включены систематические погрешности, или неопределённости, присущие процессу измерений. Данные по цефеидам и сверхновым позволяют нам воссоздавать лестницу космических расстояний, у которой каждая ступенька расширяющейся Вселенной строится на более близкой предыдущей. Если сделать ошибку на раннем этапе:
• в измерении параллакса ближайших цефеид,
• в стандартности этих объектов,
• в отношении яркости и расстояния любой из ступенек,
• в предполагаемой реальной яркости стандартных свечей,
• по поводу окружения обнаруженных явлений,
то эта ошибка распространится на все последующие построения. Несмотря на малую неопределённость этой лестницы расстояний, необходимо отметить, что существует четыре независимых способа калибровки постоянной Хаббла, и каждый из них выдаёт разное значение, от 71,82 до 75,91, а погрешность каждого примерно равна 3.
Есть надежда, что планируемые измерения параллакса улучшат эти неопределённости и помогут понять систематические ошибки, проходящие через эти различия. Очень интересно рассуждать на необычные темы, но, скорее всего, эти новые признаки неопределённости в постоянной Хаббла указывают на возможность лучше понять астрофизические явления, благодаря которым мы получаем эти значения, и, возможно, в результате сойтись на единственном значении скорости расширения, одной для всех методик. Изменится ли значение на 73, останется ли около 70 или прыгнет до 67, результат изменит наши параметры на несколько процентов, но не наши выводы. Возможно, Вселенной не 13,8 млрд лет, а 13,5 млрд; возможно, она на 65%, а не на 70% состоит из тёмной энергии; возможно, через 40 млрд лет сможет произойти Большой разрыв. Но основная картинка Вселенной останется неизменной. Ключ, как всегда, в том, чтобы открыть основы явлений и научиться тому, чему нас учит Вселенная.
На этой неделе я получил огромное количество вопросов по поводу новости, сообщающей, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось. Проблема в следующем: если судьба Вселенной зависит от скорости расширения, текущей и прошлой, и мы измерили её неправильно, могут ли наши выводы о Вселенной также быть неправильными? Может ли в ней не быть тёмной энергии? Может ли статься, что Вселенная вовсе не ускоряется от нас? Может ли скорость расширения замедляться и в будущем превратиться в Большое сжатие? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо обратиться к научной основе происходящего.
Простейший способ измерить расширение Вселенной – наблюдать за хорошо известными нам объектами. Это отдельные звёзды, вращающиеся галактики, сверхновые, и т.п. Мы можем измерять их видимую яркость и красное смещение. Если мы знаем реальную яркость объекта – а для хорошо изученных объектов мы это знаем – и измерим его видимую яркость, мы можем рассчитать, как далеко он находится, точно так же, как мы можем выяснить расстояние до 60-ваттной лампы, измерив её видимую яркость. Астрономы зовут такие объекты «стандартные свечи», поскольку эта идея родилась задолго до лампочек. Поскольку Вселенная расширяется, измерение красного смещения и расстояния позволяет нам наблюдать, как пространство расширяется сегодня. А работая со всё большими и большими расстояниями, мы можем наблюдать, как изменялась скорость расширения со временем.
Концепция работает для множества разных объектов: переменных звёзд-цефеид, флуктуаций на поверхности спиральных галактик, эволюционирующих красных гигантов, вращающихся спиральных галактик и сверхновых типа Ia – последние можно находить на самых больших расстояниях. Комбинация этих методов использовалась в 90-х и 2000-х для определения хаббловской скорости расширения Вселенной с невероятной точностью: 72 ± 7 км/с/Мпк. Это был прорыв по сравнению с предыдущими оценками, варьировавшимися от 50 до 100. Космический телескоп Хаббла, сделавший эти измерения, и был назван так из-за намерения измерить константу Хаббла!
Но с того времени мы ещё больше уточнили измерения и уменьшили погрешности, что привело к новой проблеме: разные измерения дают разные величины скорости расширения.
Один способ измерить историю расширения Вселенной – обратиться к реликтовому излучению, остаточному свечению Большого взрыва. Его флуктуации и некоторые общие свойства позволяют нам вычислить скорость расширения. Спутник Планк выдаёт нам значение в 67 ± 2 км/с/Мпк, что совпадает с предыдущими измерениями, увеличивая точность. Из скопления галактик на крупнейших масштабах (барионные акустические осцилляции), измеренных в проекте Sloan Digital Sky Survey и других, мы получаем величину в 68 ± 1 км/с/Мпк. И два этих измерения выдают нам значения, соответствующие как предыдущим измерениям, так и друг другу. Но если мы обратимся к данным по цефеидам и сверхновым, когда в одной и той же галактике мы изучаем цефеиды и сверхновые типа Ia, мы получим настолько же точную величину, которая, однако, не совпадает с другими: 73 ± 2 км/с/Мпк.
Вот из-за этого и идёт весь сыр-бор. Некоторые начали предлагать экзотические альтернативные теории, типа эволюционирующей тёмной энергии, а другие уже ставят под сомнение основы космологии. Но вполне возможно, и даже вероятно, что проблемы вообще не существует. В эти ошибки не включены систематические погрешности, или неопределённости, присущие процессу измерений. Данные по цефеидам и сверхновым позволяют нам воссоздавать лестницу космических расстояний, у которой каждая ступенька расширяющейся Вселенной строится на более близкой предыдущей. Если сделать ошибку на раннем этапе:
• в измерении параллакса ближайших цефеид,
• в стандартности этих объектов,
• в отношении яркости и расстояния любой из ступенек,
• в предполагаемой реальной яркости стандартных свечей,
• по поводу окружения обнаруженных явлений,
то эта ошибка распространится на все последующие построения. Несмотря на малую неопределённость этой лестницы расстояний, необходимо отметить, что существует четыре независимых способа калибровки постоянной Хаббла, и каждый из них выдаёт разное значение, от 71,82 до 75,91, а погрешность каждого примерно равна 3.
Есть надежда, что планируемые измерения параллакса улучшат эти неопределённости и помогут понять систематические ошибки, проходящие через эти различия. Очень интересно рассуждать на необычные темы, но, скорее всего, эти новые признаки неопределённости в постоянной Хаббла указывают на возможность лучше понять астрофизические явления, благодаря которым мы получаем эти значения, и, возможно, в результате сойтись на единственном значении скорости расширения, одной для всех методик. Изменится ли значение на 73, останется ли около 70 или прыгнет до 67, результат изменит наши параметры на несколько процентов, но не наши выводы. Возможно, Вселенной не 13,8 млрд лет, а 13,5 млрд; возможно, она на 65%, а не на 70% состоит из тёмной энергии; возможно, через 40 млрд лет сможет произойти Большой разрыв. Но основная картинка Вселенной останется неизменной. Ключ, как всегда, в том, чтобы открыть основы явлений и научиться тому, чему нас учит Вселенная.
