астрономы приступили к общему исследованию содержимого Вселенной, и тогда обнаружилось, что это содержимое не согласуется с ее формой и возрастом, что поставило их в тупик. ОТО уже имела твердые обоснования, и многие ее предсказания подтверждались наблюдениями, так что несовместимость элементов упомянутой выше триады свидетельствовала о чем-то очень важном, возможно о пропущенном факторе или обстоятельстве, имеющем принципиальное значение. Геометрия и эволюция Вселенной загадочным образом противоречили ее содержанию. Начиная с открытий Веры Рубин и Кента Форда астрономические наблюдения ясно показывали, что основным материалом или веществом, из которого состоит Вселенная, является экзотическая темная материя. Однако этого было недостаточно, чтобы объяснить особенности общей формы наблюдаемой Вселенной, из чего следовало, что она намного моложе, чем предполагалось ранее. Оказывалось, что старые звезды в нашей Галактике старше Вселенной — и это, очевидно, было проблемой.
Говоря о форме Вселенной, я подразумеваю не локальные небольшие «выбоины» на плотной ткани пространства-времени, а общую форму на очень больших масштабах, где геометрия может проявить себя более или менее однородно. Несмотря на растущий объем данных, в том числе в связи с запуском спутника «Исследователь космического фона» (Cosmic Background Explorer, COBE) для изучения реликтового излучения, разрыв между разными измерениями формы, возраста, состава и эволюционными свойствами Вселенной сохранялся. Это растущее противоречие заставляло исследователей постоянно повышать точность наблюдений.
Нам уже известно, что определение лямбды не может устранить указанную выше проблему несовместимости данных, поскольку не предполагает стабильное и устойчивое развитие Вселенной (напомним, что ее состояние напоминает позицию стоящего на цыпочках, готового упасть при малейшем толчке). Однако если мы отвлечемся от проблемы космологической постоянной и займемся только решениями Леметра для расширяющейся Вселенной, то поймем, что вид решения будет определяться борьбой между расширением и силой гравитации, зависящей от средней плотности Вселенной. Таким образом, наблюдаемая плотность всех компонентов Вселенной может сравниваться с критическим значением — переломным моментом, который разделяет возможные пути судьбы Вселенной.
Отношение плотности всего вещества и энергии во Вселенной к критическому значению плотности представляет собой просто число (обозначаемое заглавной греческой буквой Ω). Полное значение омеги для Вселенной является суммой отношений обычной материи, темной материи, энергии реликтового излучения, сохранившегося еще от Большого взрыва, и космологической постоянной[19] к рассмотренной выше критической плотности. Вклад в эту сумму от реликтового излучения сейчас является пренебрежимо малым. Омега складывается из отношений для материи и вклада от лямбды-члена. Три возможных решения уравнений Эйнштейна, которые единственным и однозначным образом определяют геометрию, состав и судьбу Вселенной, соответствуют трем различным значениям омеги, которые рассмотрены ниже.
Прежде всего обсудим простую ситуацию, когда омега существенно меньше 1, то есть материи во Вселенной достаточно для того, чтобы ее можно было даже не замечать, так что проблема устойчивости вообще не возникает. В этом случае Вселенная будет расширяться вечно и с постоянной скоростью, не ускоряясь и не замедляясь. Этот сценарий начинается с Большого взрыва, и закон Хаббла в этом случае справедлив всегда и везде по всей Вселенной.
В следующей ситуации содержимое Вселенной характеризуется существенной долей массы, например когда омега заметно меньше 1, но все же больше значения для расширяющейся с постоянной скоростью Вселенной, вследствие чего Вселенная должна расширяться непрерывно, как и в предыдущем случае. Такая Вселенная будет постепенно становиться все менее плотной (разреженной), и скорость ее расширения, соответственно, будет замедляться.
Теоретически возможны оба описанных сценария, поэтому представляется очевидным, что необходимо осуществить прямое измерение значения омеги и по результату определить, какое из решений соответствует нашей Вселенной. Для прямого измерения омеги необходимо найти и сложить массы всех галактик по всем наблюдаемым участкам звездного неба (сектор за сектором), разделить полученную сумму масс на занимаемые этими галактиками объемы, а затем вставить полученный результат в отношение для критической плотности. Когда астрономы в 1980–1990-х гг. провели описанный выше учет по всем существующим каталогам галактик, то они обнаружили, что плотность материи во Вселенной составляет примерно 0,3.
Однако стоит вспомнить, что существует еще один подход к независимому измерению значения общей величины омеги. Дело в том, что реликтовое излучение, оставшееся со времени Большого взрыва, дошло до нас в виде ряби, в которой отразилось воздействие всего содержимого Вселенной с момента Большого взрыва. Оно дошло до нас, пробив всю Вселенную, несет отпечаток всего содержимого Вселенной и, таким образом, позволяет оценить сумму этих компонентов. Измерения флуктуаций зарегистрированного спутником COBE реликтового излучения были проведены в 1990 г. и привели к равному 1 значению омеги. Это сразу заставило астрономов задуматься о том, куда девался остаток 0,7. Упомянутое выше значение 0,3 было получено с учетом всей материи во Вселенной (видимой и темной) в предположении, что Вселенная постоянно расширяется с незначительным замедлением{9}. Астрономы уже начали искать признаки такого замедления.
Особенно важно подчеркнуть, что разница между двумя полученными значениями омеги свидетельствует о весьма серьезном изъяне в наших теоретических построениях. Живем ли мы во Вселенной, находящейся перед критической или непосредственно в критической неуравновешенной точке? Нам можно вспомнить мнение Эддингтона, который полагал, что существует лишь один надежный способ определить, какое из этих значений является истинным, — необходимо проверить применимость исходной диаграммы Хаббла на предельно удаленных от нас расстояниях и даже дальше. Из ОТО следует, что скорость расширения Вселенной связана с ее содержимым и поэтому наблюдаемое изменение скорости расширения во времени должно привести нас к правильному значению омеги. Однако для расширения диаграммы Хаббла астрономам следовало обзавестись новыми и очень яркими «маяками», так как цефеиды Ливитт (наши первые «маяки», или «космологические линейки») для новых задач были попросту тусклыми. Пришло время найти новые космические стандартные свечи, которые были бы видны до самого края Вселенной. И ответ был найден — сверхновые звезды (взрывы звезд), превосходящие по яркости цефеиды в сотни тысяч раз, что позволяет регистрировать их на гигантских удалениях. Свет распространяется с конечной скоростью, и поэтому, наблюдая очень удаленные участки Вселенной, мы фактически смотрим назад по времени. Если мы действительно живем во Вселенной с малой омегой, то, используя для зондирования сверхновые звезды, мы способны уловить замедление процесса расширения Вселенной в прошлом.
Если единственная проблема, которую нужно решить, состоит в том, чему равна омега — 0,3 или 1, то это просто проблема учета — найти пропавшее вещество. И здесь — поворот событий. Если космологическая постоянная лямбда, уже исключенная к этому времени из уравнений Эйнштейна самим Эйнштейном, имеет не нулевое значение, то она также будет вносить свой вклад в значение этого параметра. Как вы, вероятно, можете догадаться, включение в указанную «смесь» величины лямбда позволяет нам одним махом избавиться от двух факторов несогласованности теории, о которых шла речь выше.
Поэтому космологическая постоянная, хотя немного и неприятна, дала удобный способ согласования оценок омеги по данным COBE и измерений плотности галактик. Если бы значение этой постоянной равнялось 0,7, то все теоретические расчеты могли быть отлично согласованы, однако это означало бы, что нашу Вселенную ждет несколько иное и необычное будущее. Дело в том, что ему соответствует не только описанное выше неустойчивое состояние «на цыпочках», но и плоская геометрия на больших масштабах. При этом все искривления пространства-времени сглаживаются. Выше мы говорили лишь о содержимом Вселенной, однако стоит отметить, что еще до начала упомянутой «инвентаризации» массы и ее компонент предпринимались попытки независимым образом определить геометрию Вселенной. Астрономы использовали также стандартные свечи, чтобы выяснить, в каком пространстве мы живем — в плоском или искривленном. В 1961 г. протеже Хаббла Аллан Сэндидж опубликовал статью, в которой предлагалась программа астрономических наблюдений, нацеленная именно на измерения геометрии Вселенной для регистрации скорости ее расширения в настоящее время и ожидаемого замедления этого процесса. Проект был составлен целиком в контексте модели Вселенной без космологической постоянной и плотностью материи с омегой ниже критического значения, равного 1. В качестве обоснования своих предположений Сэндидж указывал, что Вселенная с не равной нулю космологической постоянной должна будет скорее ускоряться, а не замедляться{10}. Это ясное и дерзкое противопоставление двух вариантов реальности, ускорение против замедления и возможность существования модели в том или ином состоянии, описанная в статье Сэндиджа еще в 1961 г., было забыто на 35 лет, и даже сам автор не догадывался, что она содержит идеи, достойные Нобелевских премий.
Ключом к решению проблемы стало изучение сверхновых звезд. Сейчас они превратились в один из важнейших инструментов астрономических исследований вообще. Но ученым потребовалось детальней разобраться с их физикой, чтобы оценить возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. Все собранные данные стали складываться в общую картину к 1985 г., когда астроном-наблюдатель из Калтеха Уоллес Сарджент совместно со своим бывшим аспирантом Алексом Филиппенко (который к этому моменту был постдоком в Беркли) сумели заметить очень интересные закономерности в спектрах многих сверхновых. Они предположили, что такие звезды относятся к единому классу и имеют схожие характеристики. Изменение видимых величин сверхновых типа Ia сразу после взрыва, а именно кривая блеска, очень однородно. А когда сверхновые находятся на пике яркости, в их спектре наблюдается отпечаток химического элемента — кремния, образующегося при взрыве. Именно эти свойства и позволили использовать сверхновые класса Iа в качестве стандартных свечей, поскольку они являются особо яркими объектами со стандартными характеристиками, что делает их удобным инструментом, чтобы вглядываться дальше во Вселенную и назад во времени.