Читать книгу "Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби"

Иштван Сапуди с группой ученых из Гавайского университета в Маноа в 2015 году обнаружили во Вселенной гигантскую дыру – пустоту размером 2 миллиарда световых лет. Такое открытие явно противоречило представлениям об однородной Вселенной. Ученые назвали это обширное пустое пространство супервойдом и предположили, что загадочное холодное пятно реликтового излучения, озадачивающее астрономов вот уже более десяти лет, можно объяснить наличием этого супервойда.

Но оказалось, что это не все. Еще в 2012 году группа специалистов во главе с Роджером Клоусом из университета центрального Ланкашира (Великобритания) сообщила, что во Вселенной существует огромная структура, растянутая более чем на 4 миллиарда световых лет. Размер ее более чем в два раза превышал супервойд Иштвана Сапуди. Только это было не пустое пространство, а наоборот, плотно заселенное. Оно содержит 73 квазара и известно под названием Громадная группа квазаров. Напомним, что квазары – это яркие, активные центральные области очень далеких галактик. То, что квазары имеют тенденцию собираться вместе, астрономы знали еще с начала 80-х годов XX века, но раньше не было известно, что они могут скапливаться в таком большом количестве.

Затем, в 2015 году, группа венгерских астрономов обнаружила колоссальную группу гамма-всплесков (см. главу 10). Эти всплески исходили от галактик, образующих кольцо диаметром 5,6 миллиарда световых лет, что составляет 6 % от размера всей видимой Вселенной.

Пришельцы из другого измерения

Некоторые ученые подвергают сомнению монолитность этого кольца всплесков и группы квазаров, но ряд специалистов полагает, что эти космические мегаструктуры указывают на принципиально новую концепцию структуры Вселенной. Так считает, например, Райнер Дик, физик-теоретик из университета Саскачевана (Канада). Он сделал потрясающе смелое предположение: эти мегаструктуры – прямое свидетельство вторжения в наше собственное измерение других, оставляющих грязные следы на нашем гладком и однородном космическом фоне.

На протяжении нескольких десятилетий многие теоретики рассматривали существование дополнительных измерений как хороший шанс на примирение Общей теории относительности Эйнштейна с другим бастионом физики XX века – квантовой теорией. Союз между этими двумя концепциями, которые кажутся в корне различными – одна имеет дело с очень большими объектами, а другая с очень малыми, – дал бы то, что часто называют Теорией всего, и позволил бы найти единый подход для описания Вселенной во всей ее полноте. Одной из таких объединяющих теорий могла бы стать M-теория, созданная на основе теории струн. Согласно этой теории, мы живем в 11-мерной Вселенной, 7 измерений которой мы не ощущаем, потому что они свернулись в очень тесный клубочек и исчезли из нашего поля зрения. Это элегантная и математически привлекательная структура, имеющая влиятельных сторонников. Но ей не хватает одного важного свойства: она не может предсказать конкретных явлений, на основании которых можно было бы ее проверить. Работа Дика по обобщению теории струн – теория бран – могла бы предоставить такие предсказания.

В основе теории бран лежит идея о том, что воспринимаемая нами Вселенная представляет собой четырехмерную мембрану, плавающую в море подобных бран, охватывающих множество дополнительных измерений. И, согласно расчетам Дика, эффекты соседней браны, перекрывающейся с нашей, могут исказить измерения расстояния с использованием красного смещения, создавая обширные миражи – супервойды и другие мегаструктуры.

Красное смещение, синее смещение

Эффект космологического красного смещения лежит в основе измерения расстояния до далеких объектов во Вселенной. Свет от удаленного объекта долгое время путешествовал через расширяющееся пространство, которое растягивало его до более длинных, более красных длин волн. Астрономы изучают свет от объекта с помощью спектрометра, чтобы выявить характерные для этого объекта спектральные линии. Чем дальше от нас объект, тем быстрее, как нам будет казаться, он удаляется, и тем большим будет смещение его линий.

В числовом отношении красное смещение – это разность длин волн, деленная на исходную длину волны. Таким образом, если красное смещение объекта равно 1, то видимая длина волны излучения этого объекта в два раза превышает первоначальную длину волны. А у очень далекого объекта с красным смещением, равным 9, длина волны увеличилась в 10 раз.

Красное смещение наблюдают либо в сильном гравитационном поле, либо при удалении объекта от нас. В последнем случае этот эффект называется доплеровским смещением. Этот эффект может проявляться и по-другому: объект, направляющийся в нашу сторону, – например, туманность Андромеды – может казаться более синим.

10

Вспышки и столкновения

Повсюду в космосе мы видим вспышки, которые сопровождают смерть гигантов и столкновения темных звезд. Эти вспышки освещают наиболее яркие, наиболее удаленные и наиболее интересные для нас события космической жизни.

Тьма поднимается

Какая-то таинственная сила раздвигает Вселенную. Что это за сила, мы не знаем. Она присутствует везде, но мы ее не видим. Она составляет более двух третей всей энергии во Вселенной, но мы понятия не имеем, откуда она берется и из чего состоит. По крайней мере, у нас есть эффектное название для этой субстанции – темная энергия.

Еще два десятилетия тому назад мы полагали, что расширение Вселенной замедляется. Но в 1998 году астрономы были крайне удивлены, проанализировав яркость далеких сверхновых типа Ia (см. главу 6). Поскольку светимость у всех сверхновых этого типа примерно одинакова, такие сверхновые могут использоваться в качестве «стандартных свечей»: чем слабее выглядит ее вспышка, тем дальше она находится. Из-за низкой светимости многих вспышек сверхновых считалось, что они находятся дальше, чем можно было предполагать. Такое впечатление, что в какой-то момент пространство начинает расширяться быстрее, как будто его расталкивает неведомая сила – сила, противодействующая притяжению материи (см. рис. 10.1).

Наверняка мы можем сказать лишь одно – темная энергия является отличной пищей для умов физиков-теоретиков. Они придают ей сотни разных форм и фантастических смыслов. Самая простая и безобидная форма темной энергии – это космологическая постоянная, и даже она выглядит небылицей. Космологическая постоянная трактуется как плотность энергии вакуума, присущая самому пространству, которая в рамках Общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. Эта плотность энергии возрастает по мере расширения пространства, и по сравнению с ослабевающим гравитационным притяжением все более рассеянного вещества отталкивание становится сильнее. Чтобы объяснить существующее ускорение Вселенной, космологическая постоянная должна иметь величину порядка 1 джоуля на кубический километр пространства. В общей массе-энергии наблюдаемой Вселенной темная энергия занимает две трети, и только одна треть приходится на темную материю и нормальное вещество.

Физика элементарных частиц объясняет наличие собственной энергии у пустого пространства так: в пузырящемся, непредсказуемом квантовом вакууме все время появляются и исчезают виртуальные частицы. Проблема заключается в том, что, согласно теории, эти частицы должны иметь слишком высокую плотность энергии – 10120 джоулей на кубический километр.