Чтобы легче было разобраться, куда изгибается кривая «расстояние – красное смещение» – вверх или вниз, ученые провели на верхнем графике пунктирную прямую из левого нижнего угла в правый верхний, чтобы она проходила через точки, представляющие ближайшие сверхновые. Наклон этой линии говорит нам о сегодняшнем темпе расширения. Затем на нижнем графике ученые для наглядности вычли эту составляющую, чтобы пунктирная линия пошла горизонтально. Если бы расширение Вселенной замедлялось, как все думали в 1998 г., то далекие сверхновые с красным смещением Z ближе к 1 оказывались бы ниже прямой линии. Однако, как вы видите, большинство попадает выше прямой линии. На то может быть одна из двух причин: 1) данные ошибочны или 2) Вселенная расширяется с ускорением.
Если мы на миг допустим, что верна вторая альтернатива, и спросим, сколько энергии нужно вложить в пустое пространство, чтобы добиться наблюдаемого ускорения, то получим очень интересный ответ. Сплошная кривая, которая лучше всего совпадает с данными, соответствует плоской Вселенной, где 30 % энергии заключено в веществе, а 70 % – в пустом пространстве. Примечательно, что как раз это и нужно, чтобы получить плоскую Вселенную, соответствующую тому факту, что только 30 % всей требуемой массы находится в галактиках, скоплениях галактик и вокруг них. Как видно, достигнуто полное согласие.
Но, поскольку заявление, что 99 % Вселенной невидимы (1 % видимого вещества заключен в океане темного вещества и погружен в энергию пустого пространства), подпадает под категорию экстраординарных, нам придется всерьез взвесить первую из двух возможностей: данные могут быть ошибочны. Так вот, за прошедшее десятилетие все прочие космологические данные последовательно укрепляли общее согласие с картиной совершенно несуразной плоской Вселенной, где преобладающая энергия заключена в пустом пространстве и где все, что мы видим, составляет менее 1 % общей энергии, а то вещество, которое мы не видим, состоит в основном из каких-то еще не известных элементарных частиц принципиально нового вида.
Во-первых, данные об эволюции звезд стали значительно точнее, поскольку новые спутники снабжают нас информацией о содержании химических элементов в старых звездах. На основании этих данных мы с коллегой Шабойе в 2005 г. сумели убедительно показать, что неопределенность в оценках возраста Вселенной так мала, что уже можно вычеркнуть все варианты моложе 11 млрд лет. Это не соответствовало никакой из моделей Вселенной, где пустое пространство содержит значительное количество энергии. Опять же, поскольку мы не уверены, что эта энергия обязана своим существованием именно космологической постоянной, сейчас она называется проще – темная энергия, по аналогии с темным веществом, которое доминирует в галактиках.
Эта оценка возраста нашей Вселенной была значительно улучшена примерно в 2006 г., когда зонд WMAP провел измерения реликтового излучения с большой точностью и позволил точно измерить время, прошедшее от Большого взрыва. Теперь мы знаем возраст Вселенной с точностью в четыре значащие цифры – он составляет 13,72 млрд лет!
Я и представить себе не мог, что застану те времена, когда мы сможем добиться такой точности. Но теперь, раз уж у нас это получилось, мы можем подтвердить, что Вселенная с измеренной скоростью расширения сегодня совершенно невозможна без темной энергии, а особенно без такой темной энергии, которая ведет себя именно так, как вела бы себя энергия, представленная космологической постоянной. Иначе говоря, это энергия, которая, похоже, остается неизменной во времени.
Следующий научный прорыв позволил наблюдателям точно измерить, как вещество в виде галактик с течением времени собралось в скопления. Результат зависит от темпа расширения Вселенной, поскольку сила притяжения, стягивающая галактики вместе, вынуждена соперничать с космическим расширением, которое расталкивает вещество. Чем больше энергия пустого пространства, тем быстрее она начнет преобладать в общей энергии Вселенной и тем скорее растущий темп расширения остановит гравитационный коллапс вещества на еще более крупных масштабах.
Таким образом, измерив формирование скоплений под действием гравитации, наблюдатели смогли еще раз подтвердить, что наблюдаемой крупномасштабной структуре соответствует лишь одна плоская Вселенная – та, в которой примерно 70 % темной энергии, причем эта темная энергия ведет себя более или менее как энергия, описываемая космологической постоянной.
Независимо от этих косвенных исследований истории расширения Вселенной, исследователи сверхновых искали всевозможные причины систематических ошибок в своем анализе и исключали эти причины одну за другой. В частности, они исследовали возможность того, что на дальних расстояниях скапливается больше пыли и от этого сверхновые кажутся тусклее.
Очень важно было отдельно проверить, что происходило в самом далеком прошлом.
Давным-давно в истории Вселенной та ее часть, которую мы наблюдаем сейчас, была меньшего размера, а плотность вещества в ней была гораздо выше. Однако плотность энергии пустого пространства со временем не меняется, если эта энергия соответствует космологической постоянной или чему-то вроде того. Раз так, то, когда Вселенная была в два с лишним раза меньше, чем сейчас, плотность энергии вещества превосходила плотность энергии пустого пространства. Во все предшествующие эпохи именно вещество, а не пустое пространство определяло преобладающую гравитационную силу, которая управляла расширением. Следовательно, расширение Вселенной должно было замедляться.
В классической механике есть слово, которое обозначает точку, в которой система меняет величину ускорения и, в частности, переходит от замедления к ускорению. Это слово – «рывок», по-английски jerk. А еще слово jerk означает «псих» или «болван». В 2003 г. я организовал у себя в университете конференцию, чтобы обсудить будущее космологии, и пригласил Адама Рисса, участника проекта High-Z Supernova, который сказал мне, что припас интересный доклад. Так и оказалось. Назавтра The New York Times, освещавшая конференцию, опубликовала портрет Адама под заголовком «Обнаружен космический рывок» (Cosmic Jerk Discovered), что можно было понять и как «Обнаружен космический псих». Я сохранил вырезку из газеты и время от времени достаю ее, чтобы посмеяться.
Детальная схема истории расширения Вселенной, которая показывала, что после периода замедления она вступила в период ускорения, стала существенным доводом в пользу того, что первоначальные наблюдения, показавшие существование темной энергии, были на самом деле верны. Благодаря собранным с тех пор данным теперь очень трудно представить себе, что, следуя этой картине, мы оказываемся вовлеченными в какую-то космическую охоту за призраками. Темная энергия явилась к нам незваной гостьей и, похоже, останется навсегда – или по крайней мере до тех пор, пока она каким-то образом не изменится.
Происхождение и природа темной энергии, несомненно, величайшая загадка современной фундаментальной физики. Мы представления не имеем, откуда берется эта энергия и почему ее именно столько. Поэтому мы не понимаем, почему она начала управлять расширением Вселенной, почему это произошло лишь относительно недавно, в последние 5 млрд лет, и было ли это совершенно случайно. Естественно предположить, что ее природа как-то связана с происхождением Вселенной, причем связь эта самая глубинная. И все указывает на то, что именно эта энергия определит будущее нашей Вселенной.
Глава 6Бесплатный обед на краю Вселенной
Космос велик. Страшно велик. Вы просто не поверите, насколько умопомрачительно он велик. К примеру, вы сетуете, как далеко от вас аптека, – но по сравнению с космосом это сущая чепуха.
Один верный ответ из двух – это, по-моему, неплохо. Мы, космологи, догадались, что Вселенная плоская, и оказалось, что так и есть, поэтому нам не было особенно стыдно, когда было сделано следующее сенсационное открытие: оказывается, у пустого пространства есть энергия, причем ее достаточно, чтобы доминировать в расширении Вселенной. Трудно было поверить в само существование такой энергии, но еще труднее поверить, что этой энергии не будет достаточно, чтобы сделать Вселенную непригодной для обитания. Ведь если бы энергии пустого пространства было столько, сколько показывают априорные оценки, которые я недавно приводил, то темп расширения был бы так велик, что все, что мы сейчас видим во Вселенной, быстро унеслось бы за горизонт. Вселенная стала бы темной, холодной и пустой задолго до того, как успели бы сформироваться звезды, наше Солнце и Земля.
Из всех причин полагать, что Вселенная плоская, пожалуй, самая простая для понимания проистекала из того факта, что уже давно было известно, что Вселенная почти плоская. Еще в старину, до открытия темного вещества, даже известное количество видимого материала в галактиках и их окрестностях составляло около 1 % такого общего количества, чтобы получилась плоская Вселенная.
Казалось бы, 1 % – это немного, но наша Вселенная очень стара, ей миллиарды лет. Если предположить, что гравитационные эффекты вещества или излучения доминировали в ее развивающемся расширении, а мы, физики, всегда считали, что так оно и есть, то, если бы Вселенная была изначально не идеально плоской, при расширении она становилась бы все менее и менее плоской.
В случае открытой Вселенной расширение продолжалось бы в более быстром темпе, чем в плоской Вселенной, и вещество расходилось бы гораздо быстрее, так что его средняя плотность уменьшалась бы и очень быстро свелась к бесконечно малой доле плотности, необходимой для существования плоской Вселенной.
Если бы она была замкнутой, то расширение быстро замедлялось бы и в конечном итоге сменилось сжатием. В этом случае плотность сначала убывала бы медленнее, чем для плоской Вселенной, а на этапе сжатия стала бы расти. И в этом случае отклонение от плотности, необходимой для существования плоской Вселенной, со временем росло бы.