Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности - Макс Тегмарк

Темная энергия

Эти измерения привели к интересной ситуации с бюджетом космической материи. Как видно на рис. 4.3, совокупный бюджет известен нам по положению первого пика, но мы также знаем плотность обычной материи и плотность темной материи по данным об их гравитационном влиянии на космическую кластеризацию. Однако вся эта материя дает лишь около 30 % общего бюджета, а значит, 70 % должны представлять собой некую форму материи, не подверженной кластеризации, – так называемую темную энергию.

Рис. 4.3. Бюджет космической материи. Положения пиков спектра мощности микроволнового фона на горизонтальной оси указывают на то, что пространство плоское, а общая плотность материи (усредненная по всей Вселенной) примерно в миллион триллионов триллионов (1030) раз ниже плотности воды. Высоты пиков говорят нам о том, что на обычную и темную материю приходится примерно 30 % общей плотности, а еще 70 % должно приходиться на нечто другое.

Только что я рассказал много интересных вещей, но не произнес главное слово: сверхновые. Совершенно независимые данные, полученные в ходе изучения космологического расширения, а не кластеризации, привели к тому же 70-процентному значению для темной энергии. Мы уже говорили о применении переменных звезд цефеид в качестве стандартных свечей для измерения космических расстояний. Но теперь космологи заполучили в качестве инструмента другую, значительно более яркую, стандартную свечу, которую можно видеть не только в миллионах, но даже в миллиардах световых лет. Это колоссальные космические взрывы, называемые сверхновыми типа Ia, которые за несколько секунд могут испускать больше энергии, чем 100 миллионов миллиардов солнц.

Помните первую строфу песенки «Ты свети, звезда, мерцая»? Когда Джейн Тейлор записала строчку «…как алмаз, ночь украшая», она даже не догадывалась, насколько права: Солнце через 5 млрд лет умрет, закончив свои дни белым карликом (он представляет собой гигантский шар, состоящий – как и алмаз – в основном из атомов углерода). Сейчас во Вселенной полно белых карликов. Многие постоянно наращивают массу, заглатывая газ соседних умирающих звезд-компаньонов, вокруг которых они обращаются. Как только у них официально фиксируется избыточный вес (при достижении 1,4 массы Солнца), у них случается звездный эквивалент инфаркта: они теряют стабильность и испытывают гигантский термоядерный взрыв – превращаются в сверхновую типа Ia. Поскольку эти «космические бомбы» имеют почти одинаковую массу, неудивительно, что и по мощности они примерно равны.

Более того, небольшие вариации в мощности взрыва связаны с его спектром, а также скоростью нарастания и спада вспышки. Эти параметры можно измерить, что позволило астрономам превратить сверхновые типа Ia в точные стандартные свечи. Этим методом воспользовались Сол Перлмуттер, Адам Рисс, Брайан Шмидт, Роберт Киршнер и их коллеги для точного измерения расстояний до множества сверхновых типа Ia с одновременным определением скорости их удаления по красным смещениям. На основе этих измерений ученые подготовили самую точную для своего времени реконструкцию скорости расширения Вселенной в прошлом. В 1998 году они объявили о замечательном открытии, которое принесло им в 2011 году Нобелевскую премию по физике: в течение 7 млрд лет замедляясь, космологическое расширение затем вновь стало ускоряться и ускоряется до сих пор! Если вы подбросите камень, тяготение планеты будет замедлять его удаление от Земли, так что космологическое ускорение демонстрирует странную гравитационную силу, которая проявляется не в притяжении, а в отталкивании. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает, что темная энергия обладает как раз таким антигравитационным эффектом, а группа, исследовавшая сверхновые, обнаружила, что 70-процентная доля темной энергии в составе космической материи объясняет их наблюдения.

50-процентный средний уровень

Мне нравится быть ученым: это дает возможность работать с замечательными людьми. Чаще всего моим соавтором был дружелюбный аргентинец Матиас Салдарриага. Мы с бывшей женой звали его за глаза «Великий Салда», соглашаясь, что единственная вещь, которая превосходит его талант, – это его чувство юмора. Он участвовал в написании компьютерных программ, которые использовались для предсказания кривых спектра мощности (вроде тех, что на рис. 4.2), а однажды поспорил на авиабилет до Аргентины, что все его предсказания ошибочны и не существует ни одного пика. Готовясь к получению результатов проекта Boomerang, он ускорил свои вычисления и насчитал огромную базу данных моделей, с которыми можно было сравнивать измерения. Так что, когда данные стали доступны Boomerang, я вновь загрузил на http://arXiv.org неоконченную статью и имел удовольствие вкалывать сутки подряд, чтобы завершить ее к воскресному вечеру. Обычная (атомарная) материя испытывает столкновения там, где темная материя проходит насквозь, и эти два типа материи по-разному движутся в космосе. А значит, они по-разному влияют на кривую спектра мощности микроволнового фона (рис. 4.2). Команда Boomerang сообщила об едва заметном втором пике, и мы с Матиасом определили, что в таком случае атомы должны составлять по крайне мере 6 % общего бюджета космической материи. Однако первичный нуклеосинтез (космический термоядерный реактор, который мы обсуждали в гл. 3) идет, только если на атомы приходится 5 % – значит, где-то ошибка! В эти сумасшедшие дни я оказался в Альбукерке, куда приехал делать доклад, и был по-настоящему взволнован, рассказывая аудитории об этих новых уликах, которые нам подбросила Вселенная. Мы с Матиасом едва успели к дедлайну, и наша статья появилась в интернете непосредственно перед статьей, в которой команда Boomerang анализировала собственные данные: придирчивый компьютер задержал их по дурацкой причине – подпись к иллюстрации оказалась на одно слово длиннее положенного.

Перекрестная проверка – неприятная штука, когда имеешь дело с налоговой инспекцией, но в науке это хорошая вещь. Проект Boomerang дал космологам возможность провести две перекрестные проверки бюджета космической материи:

1. Мы измерили долю темной энергии двумя разными способами (по сверхновым типа Ia и по пикам космического микроволнового излучения), и результаты сошлись.

2. Мы измерили долю обычной материи двумя разными способами (по первичному нуклеосинтезу и по пикам космического микроволнового излучения), и результаты не сошлись, так что по крайней мере один из методов был ошибочным.

Пик возвращается

Год спустя в шикарном зале для пресс-конференций в Вашингтоне я сижу в кресле, как приклеенный, чувствуя себя так, словно с минуты на минуту в комнату войдет Санта-Клаус, да не один, а целых три. Первым был Джон Карлстрем, сообщивший результаты, полученные микроволновым телескопом DASI на Южном полюсе. После разглагольствований об уже известных мне технических деталях – бум! – выясняется, что получен самый замечательный график спектра мощности из всех, какие мне встречались – с тремя отчетливыми пиками. Затем появился Санта № 2: Джон Рал из Boomerang. Опять разглагольствования, и снова – бум! Еще один замечательный спектр мощности с тремя пиками, прекрасно согласующийся с измерениями DASI. Причем некогда невзрачный второй пик заметно подрос после того, как они усовершенствовали конструкцию телескопа. Наконец, Санта № 3: Пол Ричардс сообщил результаты измерений в ходе аэростатного эксперимента MAXIMA, которые согласовывались с остальными данными. Я был в восторге. Столько лет я мечтал об уликах, закодированных в микроволновом фоне, и вот они! Это было так дерзко – считать, что мы знаем, что именно Вселенная делала всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, – и все же мы оказались правы. В эту ночь я быстро перезапустил свою программу подбора модели с новыми данными о микроволновом фоне, и теперь, когда второй пик стал выше, мой код предсказал 5 % атомов – в полном согласии с теорией первичного нуклеосинтеза. Перекрестная атомная проверка из провала превратилась в успех, порядок в космосе был восстановлен. Этот порядок сохранился до сих пор: WMAP, «Планк» и другие проекты измерили кривую спектра мощности еще точнее, но, как видно на рис. 4.2, в трех первых экспериментах все было определено правильно.

Точные данные о кластеризации галактик

К 2003 году фон космического микроволнового излучения стал, пожалуй, величайшим в истории успехом космологии. Многие увидели в нем панацею, способную решить все наши проблемы и измерить все ключевые параметры космологических моделей. Это впечатление было ошибочным. Допустим, проведя измерения, вы определили, что мой вес составляет 90 кг. Очевидно, этой информации недостаточно, чтобы узнать мой рост и объем талии, поскольку вес зависит от обоих этих параметров: я могу оказаться высоким и тощим или низким и упитанным. Мы сталкиваемся с похожими проблемами, когда пытаемся измерить ключевые параметры Вселенной. Например, характерные размеры пятен микроволнового фона, соответствующие положениям пиков спектра мощности на горизонтальной оси (рис. 4.2), зависят и от кривизны пространства (которая увеличивает либо уменьшает эти пятна), и от плотности темной энергии (которая изменяет скорость расширения Вселенной, а значит, и расстояние до плазменной поверхности с ее пятнами, что также заставляет их казаться крупнее или мельче). Поэтому, хотя многие журналисты заявляли, что такие эксперименты, как Boomerang и WMAP продемонстрировали плоскую геометрию пространства, на самом деле это не так: Вселенная может быть и плоской, содержащей около 70 % темной энергии, и искривленной, с иным количеством темной энергии. Есть и другие пары космологических параметров, которые трудно разделить на основе анализа микроволнового фона. Например, амплитуда неоднородностей в ранней Вселенной и время появления первых звезд влияют на спектр мощности (рис. 4.2) сходным образом (в данном случае меняя высоту пиков). Как известно из школьной алгебры, для определения двух величин требуется более одного уравнения. В космологии мы хотим определить около 7 параметров, и в одном только микроволновом фоне для этого просто недостаточно данных. Так что необходима дополнительная информация из других космологических измерений. Например, из трехмерных карт галактик.