Эх, темнота! / Парадокс

Эх, темнота! / Парадокс

Эх, темнота!

/  Парадокс

Ученые доказали: судьбы мироздания зависят от темной энергии

Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее. Это открытие сделали астрономы НАСА, изучавшие степень влияния так называемой темной энергии на судьбы мироздания. Вероятность того, что за ускоренное расширение Вселенной отвечает именно она, составляет 99,996 процента. Это выкладки немецких и британских ученых. Сам же факт существования темной энергии доказан с очень высокой степенью надежности. Темная энергия, заставляющая галактики, звезды и планеты разбегаться в разные стороны, составляет 72 процента всего содержимого Вселенной. Еще 24 процента приходится на долю темной материи — столь же невидимой, но все же регистрируемой. А на долю видимой материи остается всего четыре процента. При этом в ученом сообществе нет единой точки зрения по вопросу о сущности темной энергии и ее свойствах. Каждую научную работу на эту тему ученые придирчиво изучают: уж очень неприятно осознавать, что судьба Вселенной зависит от энергии, про которую людям ничего не известно...

Хит сезона

Датой рождения нового направления в науке принято считать 1998 год. Тогда две независимые группы американских ученых, наблюдавшие за сверхновыми звездами, сделали сенсационное открытие: скорость расширения Вселенной с течением времени не падает, как это следует из общей теории относительности, а увеличивается. Была выдвинута гипотеза, что в качестве ускорителя выступает некая неучтенная энергия. Проявляет она себя только в ходе гравитационного взаимодействия — другими методами исследовать ее пока не представляется возможным. Новое явление получило название «темная энергия» — дескать, все в этом деле так запутанно и странно. «Темная энергия — не совсем верный перевод, — объясняет старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН кандидат физико-математических наук Родион Буренин, — правильнее называть ее невидимой энергией. Отличительной ее особенностью является эффект отрицательного давления, ускоряющий процесс расширения Вселенной. Другими словами, это некая форма антигравитации. По своим феноменологическим свойствам она такая же, какой должна быть энергия вакуума, если бы она существовала и была ненулевой». Со стороны это похоже на русскую народную сказку про то, чего не может быть. Это, впрочем, не помешало авторам исследования получить в 2011 году Нобелевскую премию по физике.

Сегодня сомнений в том, что темная энергия составляет едва ли не три четверти всего вещества во Вселенной, не осталось. Для астрофизики темная энергия стала чем-то вроде бозона Хиггса для физики элементарных частиц — кирпичиком мироздания. Но если бозон Хиггса все же удалось на мгновение «ухватить», то в случае с темной энергией все доказательства ее существования — косвенные. «Есть как минимум четыре способа, позволяющих измерить этот эффект, — объясняет Томмасо Джанантонио из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана. — Во-первых, наблюдение за далекими сверхновыми звездами. Во-вторых, исследование реликтового излучения — радиоволн, являющихся отголосками Большого взрыва. В-третьих, наблюдение за скоплениями галактик. И в-четвертых, изучение интегрированного эффекта Сакса — Вольфа, на котором в своем исследовании решили сконцентрироваться мы».

Если не вдаваться в научную казуистику, то эффект Сакса — Вольфа обусловлен так называемым гравитационным красным смещением и наглядно показывает, что во Вселенной доминирует нечто, не являющееся материей. «Это не какое-то уникальное открытие, — скромничает астрофизик, — это просто исследование, способ с несколько других позиций доказать существование темной энергии». Впрочем, мало доказать, что за ускоренное расширение Вселенной отвечает именно темная энергия. Куда важнее понять, за счет чего возникает эффект отрицательного давления, дающий это ускорение. Эту задачу решают сразу несколько проектов. В частности, американо-германо-испанский Dark Energy Survey и российско-германский «Спектр-Рентген-Гамма».

Под прицелом

Основным инструментом наблюдений проекта Dark Energy Survey стала мощнейшая цифровая камера, ориентированная на исследование красного и инфракрасного диапазонов. Она установлена на четырехметровом телескопе, базирующемся в чилийских Андах. До декабря камера будет работать в режиме тестирования, а после этого займется полноценными наблюдениями. За пять лет согласно планам участники проекта смогут составить детальную карту участка неба площадью пять тысяч квадратных градусов. В эту область попадет порядка 300 миллионов галактик, 100 тысяч скоплений галактик и 4 тысячи сверхновых.

При всей уникальности этот проект далеко не единственный в своем роде. «Сейчас в астрономии идет эпоха обзоров различной длины волн, — объясняет доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе ИКИ РАН Михаил Павлинский. — В ближайшее время стартует проект «Спектр-Рентген-Гамма», который позволит осуществить самый глубокий обзор в рентгеновском диапазоне, то есть вести наблюдение за скоплением галактик». Рентгеновский диапазон дает возможность увидеть то, что нельзя увидеть даже при помощи мощнейших телескопов. Дело в том, что скопления галактик представляют собой гравитационную яму, куда попадает горячий газ. Его излучение можно зафиксировать только в определенном диапазоне. Если смотреть на это излучение в оптическом диапазоне, то никакого скопления галактик не увидеть. В рентгеновском же его можно не только определить, но и оценить необходимые характеристики. Проект позволит определить едва ли не все скопления галактик во Вселенной. Учитывая, что другие миссии тоже намерены выявлять галактические скопления в разных диапазонах, астрофизики получат ценнейший материал для научных исследований. А значит, станут ближе к разгадке одной из ключевых тайн современности — сущности темной энергии.

«Скопления галактик позволяют доказать факт существования темной энергии, — комментирует Родион Буренин. — Если говорить максимально просто, это комочки во Вселенной, однако антигравитация препятствует увеличению масс этих комочков». Скопления галактик, как и сверхмассивные черные дыры, формировались миллиарды лет. Изучив их параметры, ученые смогут понять, каким образом шла их эволюция и как на нее повлияла темная энергия. По идее каждая крупица полученной информации сделает ученых на шаг ближе к пониманию этой субстанции. Что даст человечеству это знание, можно только догадываться.

Но каким бы ни оказался прикладной результат, в том, что общая теория относительности устоит, ученые не сомневаются. Однако даже внесение корректив может оказаться достаточным для очередной научной революции. И как ни парадоксально это звучит, просторы Вселенной, которую вдоль и поперек пронизывает темная энергия, помогут дать ответы на вопросы, возникающие сегодня в физике элементарных частиц. Оказывается, у бесконечно большого и бесконечно малого гораздо больше общего, чем мы могли предполагать. Теория относительности Эйнштейна подтвердила, что одним и тем же законам природы подвластны и мельчайший атом, и гигантская планета. Возможно, разгадав тайны темной энергии, ученые прольют свет на загадочный бозон Хиггса. Ведь он является таким же кирпичом мироздания, как и загадочная космическая субстанция. Получается, наша Вселенная вполне может быть втиснута в одну из мельчайших частиц. Самое удивительное, что предположение об ускоренном расширении Вселенной возникло ровно в тот момент, когда казалось, будто физики приблизились к разгадке фундаментальных основ природы. Ситуация конца XX века напоминала события столетней давности. Нечто подобное происходило в конце XIX века, пока не были внесены коррективы в существующий порядок вещей. Занимаясь фундаментальными изысканиями, ученые того времени мало задумывались об их прикладной роли, как и современные физики, для которых головоломка с темной энергией нужна для того, чтобы все встало на свои места. Пока исследователи на вопрос обывателя: «А что мне будет с этой вашей энергии?» — искренне отвечают: ничего. Но так ли это? Физики в массе своей, когда их спрашивали о применении энергии атома, тоже говорили, что использовать ее вряд ли получится. Возможно, именно сегодня перед человечеством открываются перспективы, границы которых оно даже не может себе представить.