Помоги проекту - поделись книгой:
Что астрономы, физики и астрофизики понимают под словом «плоский»? Когда говорят, что Вселенная плоская, не имеется в виду, что она плоская, как лист бумаги. Речь идет о свойстве трехмерной плоскостности – евклидовой геометрии в трех измерениях. В астрономии евклидов мир является удобной сравнительной моделью окружающего пространства. Материя в таком мире распределена однородно, то есть в единице объема содержится одинаковое количество материи, и она изотропна, то есть распределение материи одинаково по всем направлениям. Кроме того, материя там не эволюционирует (например, не загораются радиоисточники и не вспыхивают сверхновые), а пространство описывается простейшей геометрией. Но ведь сверхновые-то появлялись! То есть получается, что модель плоской Вселенной не соответствует результатам наблюдений. Материя вокруг нас распределена неоднородно и анизотропно (где-то есть звезды и галактики, а где-то их нет), скопления материи эволюционируют, то есть меняются со временем, а пространство, как известно из экспериментально подтвержденной теории относительности, искривлено. Но ученые все равно говорят о плоской Вселенной. Это происходит, потому что в космологии Вселенная рассматривается как целый объект. И как целый объект она обладает определенными свойствами. Например, начиная с некоторых очень больших линейных масштабов (здесь можно рассматривать и 60 мегапарсек, то есть 180 млн световых лет, и 150 Мпк), материя во Вселенной распределена однородно и изотропно. На меньших масштабах наблюдаются скопления и сверхскопления галактик и пустоты между ними, которые называются войдами, то есть однородность нарушена.
Герсон Голдхабер из группы Перлмуттера решил составить таблицу из 38 сверхновых, открытых группой из Беркли за время ее работы, основываясь на яркости и красном смещении. Он поместил их в колонки, соответствующие количеству материи, которая требовалась Вселенной (на основании данных по этой сверхновой) для того, чтобы расширение остановилось: от 0 до 20 % необходимой плотности массы, от 20 до 40 % и так далее, до 100 %. Две получившиеся большие колонки (в одной было 10 сверхновых, в другой – 9) показали, что во Вселенной не то что недостаточно материи для остановки расширения, а она находится в минусе! Голдхабер получил отрицательные значения от 0 до минус 40 %. Кто бы мог такое подумать?
Адам Рисс в другой группе работал над статистическим подходом к проблеме. Его задачей было собрать имевшиеся данные по сверхновым на тот момент: все результаты спектроскопии и фотометрии, все вычеты галактик, все кривые блеска, все допуски ошибок – и разработать программное обеспечение, которое поможет сравнить эти данные с миллионами различных моделей Вселенной. Некоторые из этих моделей покажутся просто абсурдными. Но одна из этих Вселенных должна будет соответствовать собранным данным.
Что и произошло. Такая модель нашлась. В ней было недостаточно материи, чтобы замедлить расширение. Мало этого – плотность массы составляла минус 36 %, то есть получалась отрицательной. Это была Вселенная без материи. Эта была несуществующая Вселенная. То есть, можно сказать, что данные двух групп, работавших над вопросом расширения Вселенной, дали один и тот же результат.
Обе группы работали, основываясь на предположении, что Вселенная полна материи и только материи. Конечно, они знали, что часть ее темная, но скрытая масса по сути должна была быть материей. Поэтому ученые предполагали, что только материя будет влиять на расширение Вселенной. Однако если отказаться от этих предположений, результаты, которые, как раньше казалось, смысла не имеют, теперь приобретали смысл. Если во Вселенной на расширение влияет что-то другое (а не материя), во Вселенной, которая состоит из чего-то еще, а не только материи, это что-то объясняет пусть не все, а многое! Изучив данные еще раз, обе группы пришли к выводу, что материя составляет 20 %, или 30 %, или 40 % Вселенной. Но таким образом оставалось 60 %, или 70 %, или 80 % чего-то еще…
Что касается судьбы Вселенной, ученые пришли к выводу, что она будет расширяться вечно. Теперь требовалось решать другой вопрос: с темной материей и новой силой, которую они пока не могли представить.
Алан Гут
В этой книге нельзя не рассказать об Алане Гуте, американском физике и космологе, авторе теории инфляционной Вселенной, окончившего Массачусетский технологический институт, в котором он работает до сих пор. Отправной точкой для разработки этой теории послужило посещение лекции Боба Дикке по «проблеме плоскости». Дикке и Пиблс выступали с лекциями и объясняли слушателям, что судьба Вселенной зависит от того, сколько материи имеется во Вселенной – ее должно быть достаточно, чтобы прекратить расширение.
Алан Гут предложил свою версию теории Большого взрыва. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям Большого взрыва. Но по сути в результате сложных математических выкладок у Гута получился расширяющийся пузырь однородного газа, как описывали теорию Гута его критики, в числе которых оказался и Стивен Хокинг.
Теория Гута и правда имеет ряд недостатков. Например, в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи. Гут проверил совместимость своей инфляционной теории с тремя гипотезами происхождения Вселенной.
Первой была рассмотрена стандартная теория Большого взрыва. В этом случае, по мнению Гута, расширение (инфляция) должно было произойти на одной из ранних стадий эволюции Вселенной. В соответствии с второй гипотезой Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки были горячими, другие – холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этом случае инфляция должна была начаться в перегретой и расширяющейся области Вселенной. Отдать должное, Гут признает, что эта модель не может объяснить происхождение первичного хаоса. Третья гипотеза – перегретый расширяющийся сгусток материи возникает квантово-механическим путем из пустоты.
Чтобы уравнения правильно описывали инфляционную Вселенную, Гуту пришлось очень точно задавать исходные параметры для своих уравнений, и он столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Гут надеялся избавиться от необходимости задавать точные параметры условий Большого взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию: без параметризации исходного состояния Вселенной невозможно получить наблюдаемое распределение материи. Гут и некоторые его коллеги просто допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Но может ли вообще какая-нибудь версия теории Большого взрыва предсказать наблюдаемое распределение материи во Вселенной?
Одинаковый результат
8 января 1998 года произошла историческая пресс-конференция в отеле «Вашингтон Хилтон». На ней присутствовали четверо астрономов, представители четырех разных команд. Группу из Беркли представлял сам Сол Перлмуттер, группу Шмидта – Питер Гарнавич, также присутствовали Нета Бахколл, занимавшаяся скоплениями галактик, и Рут Дейли, изучавшая космические объекты путем исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн и регистрацией космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов. Несмотря на то, что они представляли разные и даже конкурирующие группы, все пришли к единому выводу: Вселенная будет расширяться вечно. На пресс-конференции Перлмуттер рассказал о результатах работы своей группы: открытии больше сорока сверхновых и, главное, доказательства действенности предложенного метода. Физическую науку стало возможно использовать для открытия больших тайн.
Затем Перлмуттер выступил на заседании Астрономического Общества, и там, в частности, было показано два возможных варианта судьбы Вселенной – без Большого взрыва и после него. Его группа представила все данные, собранные ими по более сорока сверхновым, добавив к уже имевшимся, и получалось, что да: Вселенная будет расширяться вечно, но чтобы вообще существовать, она не может состоять только из материи. Нужно что-то еще. Похоже, в космологии начиналась новая эра.
Спустя месяц в Калифорнии состоялась конференция, посвященная изучению скрытой массы во Вселенной, с докладами и сообщениями об открытии ускоренного расширения Вселенной выступили Герсон Голдхабер и Сол Перлмуттер, а затем Алексей Филиппенко, представивший результаты группы Шмидта.
Алексей (Алекс) Филиппенко – американский астрофизик, профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли, он занимается исследованиями сверхновых и активных галактик в оптических, ультрафиолетовых и ближних инфракрасных длинах волн. Интересны высказывания Филиппенко по поводу двух конкурирующих групп, «Сверхновые для космологии» под руководством Сола Перлмуттера, и группе поиска далеких сверхновых под руководством Брайана Шмидта. Филиппенко поработал в обеих, и мнению этого специалиста в области изучения сверхновых звезд можно доверять.
Вначале, с 1993 по 1996 год, он работал у Сола Перлмуттера, затем перешел к конкурентам. Причиной перехода стал дискомфорт в группе из Беркли – иерархическая структура. Группа Брайана Шмидта строилась по-другому, она состояла в основном из астрономов, а не физиков, и голос каждого из участников с большей вероятностью мог быть услышан и принят во внимание. Филиппенко и другие ученые говорили, что существование двух групп с точки зрения науки оказалось очень полезным – работа пошла быстрее, а результаты стали более тщательно тестироваться в поисках возможных ошибок. Можно долго спорить о том, какой метод организации научных исследований лучше, но факт остается фактом: обе группы пришли к основным результатам практически одновременно, и результаты практически совпали!
И участники проекта «Сверхновые для космологии», и группа Брайана Шмидта пришли к одинаковому заключению: плотность вещества Вселенной составляет примерно 0,3 (в долях критической плотности) и Вселенная расширяется с ускорением, ответственным за которое является космологическая постоянная.
Обе группы опубликовали подробные статьи со своими данными. Статья с описанием результатов группы Шмидта, которая стала называть себя High-z, была отправлена в печать в марте и опубликована в сентябре 1998 года. Члены группы Сола Перлмуттера немного припозднились, их обобщающая публикация вышла только летом 1999 года. Хотя, как я уже говорил, результаты были получены и публично представлены практически одновременно. В статье группы Перлмуттера представлялись данные по 42 сверхновым, у группы High-z – только по 16, однако их данные для этих звезд были более точными. Ученые получили данные независимо друг от друга – группы почти не пересекались по составу (за очень редкими исключениями), выборки далеких сверхновых типа Ia были разными (только две звезды оказались одними и теми же), анализ данных производился независимо и разными методами. Совпадение результатов двух групп заставило астрономическое сообщество серьезно воспринять их кажущийся фантастическим результат.
В результате наблюдений за сверхновыми и ускоряющейся Вселенной было высказано предположение о существовании темной энергии, что стало большим прорывом для науки в 1998 году. Это предположение о существовании некоей формы энергии, которую стали называть темная энергия, «расталкивающей» Вселенную и приводящей к изменению темпа ее расширения, стало простейшей интерпретацией наблюдений.
Как следовало из наблюдений, свойства этой субстанции получались очень странными. Во-первых, она не скучивается, то есть не собирается в обычные объекты типа галактик и их скоплений, и ее распределение в пространстве, похоже, близко к равномерному. Во-вторых, она заставляет Вселенную расширяться, то есть темная энергия, в отличие от обычной материи, создает не тяготение, а антитяготение, антигравитацию. В-третьих, плотность темной энергии по современным данным практически не зависит от времени (имеется в виду абсолютная плотность), а это кажется очень необычным. В-четвертых, в настоящую эпоху вклад темной энергии в полную плотность Вселенной является определяющим. Это не всегда было так – плотности обычной материи и темной материи, в отличие от темной энергии, зависят от времени, и в более ранние эпохи эволюции Вселенной относительный вклад темной энергии был меньше.
Что представляет собой темная энергия? Возможны разные варианты, но, по-видимому, самый простой и естественный – темная энергия представляет собой энергию вакуума.
Вакуум, вопреки бытовой точке зрения, это не просто пустота, а состояние с минимальной возможной энергией, и эта энергия совсем не обязательно должна быть равна нулю. Если из какого-то объема убрать все частицы и поля, то, согласно законам квантовой механики, на сверхмалых расстояниях в этом объеме будут непрерывно рождаться и исчезать так называемые виртуальные частицы. Энергия этих частиц и является энергией вакуума. Свойства вакуума близки к требуемым для темной энергии – его плотность не зависит от времени, она определяется физикой очень малых расстояний и времен, вакуум не скучивается и, согласно квантовой физике, его давление отрицательно, что и приводит к появлению эффекта антигравитации. Эти особенности вакуума привели к тому, что он часто рассматривается в качестве основного кандидата на темную энергию.
Лямбда
Вернемся в прошлое. В 1917 году Альберт Эйнштейн увидел, что Вселенная по сути нестабильна. Эйнштейн решил добавить в свои уравнения греческую букву лямбду, обозначавшую космологическую постоянную, чтобы уравнения допускали пространственно-однородное статическое решение. Я уже упоминал ее выше, а также и то, что ее иногда называют лямбда-член.
По мнению Эйнштейна, во Вселенной должно было быть что-то такое, что не позволяет ей обрушиться – во Вселенной, полной материи, которая притягивает другую материю с помощью гравитации. Считается, что космологическая постоянная была введена Эйнштейном для того, чтобы уравнения допускали пространственно-однородное статическое решение. После открытия Хабблом доказательств расширения Вселенной больше не требовалась лямбда, и Эйнштейн от нее отказался. Но игнорировать полностью лямбду-член было нельзя, она оставалась в уравнении. И лямбду приравняли к нулю. Именно так и делали несколько поколений наблюдателей и теоретиков. Иногда ее вообще не упоминали, иногда говорили: «Предположим, что Λ = 0». Достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля очень долго не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. Для большинства наблюдателей и теоретиков лямбда была – и одновременно ее не было. Она будто находилась в параллельном измерении, как призрак на чердаке. Однако то, что она не требовалась, совсем не значило, что ее нельзя разбудить, и время от времени теоретики это делали.
Например, Герман Бонди и Томас Голд, а отдельно от них Фред Хойл, которые пытались создать новую модель Вселенной. Бонди и Голд называли ее «гипотетическим и широко обсуждаемым космологическим термином». Как и Эйнштейн, они не знали, что это, но дали ей ненулевое значение, потому что должно существовать что-то, подпитывающее расширение. Но затем теория Большого взрыва была подтверждена в частности через открытие реликтового излучения, и необходимость в «космологической постоянной», как стали называть лямбду-член, отпала. С другой стороны, нельзя сказать, что лямбда умерла вместе с теорией стационарной Вселенной, скорее, произошло нечто подобное вылету души из мертвого тела.
Затем лямбда стала связываться с квазарами, классом одних из самых ярких в видимой Вселенной астрономических объектов, мощность излучения которых иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звезд в галактиках типа нашей. Слово происходит от двух латинских слов, которые переводятся как «квазизвездный», или «похожий на звезду», и английского «радиоисточник», из которого взяли только первую букву, ставшую последней в слове «квазар», то есть получается «похожий на звезду радиоисточник».
В оптическом диапазоне квазары похожи на звезды, но создают радиоизлучение. Однако это излучение считалось сильным только вначале (первый квазар был обнаружен в конце 1950-х), 90 % открытых к настоящему времени квазаров не создают сильного радиоизлучения. Предполагается, что квазары являются мощными активными ядрами галактик. Существует теория о том, что квазары представляют собой галактики на начальном этапе развития, в которых массивная черная дыра поглощает окружающую материю. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется одновременно и постоянным открытием новых, и отсутствием четкой границы между квазарами и другими типами галактик. В 1987 году говорили про 3594 квазара. В 2005 году астрономы заявили уже о 195 000 квазаров.
Однозначно можно сказать, что это мистические источники огромной энергии, удаленные от нас на колоссальные расстояния. Об их связи с лямбдой впервые было сказано в 1967 году, когда в «Астрофизическом журнале» была опубликована статья «Квазизвездные объекты с ненулевой космологической постоянной». Тогда ученые пытались разобраться с некоторым непостоянством в поведении квазаров. Космологические модели с космологической постоянной предлагалось использовать для объяснения некоторых свойств распределения квазаров. Но по мере того как эволюция квазаров становилась понятнее, необходимость в лямбде снова отпала. О космологической постоянной опять вспомнили в 1975 году при изучении эллиптических галактик и возможности их рассмотрения как «стандартных свечей». То есть, если считать Эйнштейна, лямбду-член пытались использовать четыре раза.
Затем появилась инфляционная теория, и если ученые так и не смогли прийти к согласию по поводу инфляционной модели, они в общем и целом согласились, что существование такой модели возможно. При этом получалось, что количество материи во Вселенной равно критическому, которое не дает ей обрушиться. Но у сторонников инфляционной теории возникла проблема: наблюдатели постоянно находили доказательства того, что количество материи во Вселенной составляет всего 20 % от критического. Одну пятую часть! Или, может, наблюдатели упускают 80 % Вселенной? Не видят их по каким-то причинам?
Ученые пришли к выводу, что при таком несовпадении возможны два варианта. И в первую очередь в голову приходит мысль, что недостающая часть материи находится в такой форме, что астрономы просто еще не научились ее обнаруживать. В 1982 году научное сообщество лишь недавно согласилось с убедительностью доказательств существования темной материи, а теоретики все еще работали над тем, как вставить темную материю в структуру и эволюцию Вселенной. Может, наблюдатели просто ошибались, и более точные наблюдения с помощью усовершенствованных инструментов помогут разобраться с несоответствием? Говорили и о неких «теоретических предрассудках», которые следовало согласовать с имеющимися данными, о некоей частице, которая осталась со времени Большого взрыва, и о «реликтовой космологической постоянной».
Вопросом космологической постоянной заинтересовался Джим Пиблс, который доверял наблюдениям гораздо больше, чем большинство теоретиков. Вместе с астрономом Марком Дэвисом он занимался измерением скоростей галактик, в совместной статье, опубликованной в 1983 году, они сделали выводы о массах галактик и попытались вывести плотность Вселенной. Пиблс пришел к выводу, что количество материи составляет 20 % от критического (то есть омега = 0,2). В следующем году Пиблс написал статью «Проверка космологических моделей, сдерживаемых инфляцией», в которой представил собственную теоретическую интерпретацию собранных данных. Если омега равна 0,2, а лямбда равна 0, то мы лишаемся привлекательного инфляционного объяснения гомогенности, или однородности Вселенной. Пиблс выступал против нулевой космологической постоянной: если бы мы сами строили Вселенную, то не стали бы вводить никакой нулевой космологической постоянной. Он подвергся критике за эту статью.
Наблюдения продолжались, накапливалось все больше доказательств низкой плотности материи во Вселенной, в особенности при изучении галактик в больших масштабах, на которое в частности опирался Джим Пиблс. Стало появляться все больше статей о низкой плотности материи во Вселенной и не-нулевой космологической постоянной.
Летом 1996 года праздновалось 250-летие Принстонского университета. В рамках торжеств проходила конференция, на которую съехались ведущие космологи мира для обсуждения самых важных проблем отрасли. Естественно, нельзя было не затронуть вопрос процентного содержания материи во Вселенной. По этому вопросу проводились дебаты, модератором на которых выступал Боб Киршнер. Он попросил высказаться Сола Перлмуттера, который также приехал на конференцию. К этому времени руководимая им группа «Сверхновые для космологии» уже могла показать предварительные результаты по первым семи сверхновым, он привез эти данные для представления коллегам. И эти первые семь сверхновых соответствовали Вселенной, в которой омега равна 1, а лямбда 0. Сол Перлмуттер также заявил, что космологическая постоянная просто не нужна. Тогда Джим Пиблс назвал его «убийцей лямбды».
Группа Перлмуттера опубликовала данные по первым семи сверхновым в августе того же года в «Астрофизическом журнале». У них получилось, что омега = 0,88, а учитывая возможные ошибки, вполне можно было считать, что она равна 1. Но эта интерпретация совершенно не соответствовала данным, полученным группой «Сверхновые для космологии» в дальнейшем.
Теперь они занимались исследованиями с телескопа «Хаббл», космического телескопа на орбите, а не на поверхности Земли, что дает возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера является непрозрачной; то есть ему не мешает земная атмосфера, поглощающая некоторые лучи. Разрешающая способность телескопа в 7–10 раз выше, чем была бы у аналогичного устройства, расположенного на поверхности Земли. Все значимые открытия в астрономии за последние 20 лет сделаны на основе данных, полученных с помощью «Хаббла», работающего с 1990 года.
Данные по двум сверхновым, исследованных с помощью «Хаббла», были опубликованы в «Астрофизическом журнале» в июле 1997 года, и группа, работающая по проекту «Сверхновые для космологии», доверяла им гораздо больше, поскольку точность сведений с космического телескопа значительно превосходила данные, полученные с помощью наземной аппаратуры. В 1996 году Перлмуттер нанял астронома Питера Нугента, который только что защитил диссертацию по сверхновым типа Ia, и поручил ему фотометрический анализ двух сверхновых, открытых с помощью «Хаббла». На основе данных фотометрии и спектроскопии Нугент построил графики, которые показали, что яркость двух открытых сверхновых в 1,6 раза слабее, чем ожидалось. Разница между ожидаемым и полученным была внушительной. Но Нугент не отвечал в команде за определение лямбды и омеги.
Остальные члены группы поняли, что данные по двум сверхновым, полученные с помощью телескопа «Хаббл», идут вразрез с более ранними, которые говорили о том, что омега равна 1, а вся Вселенная полна материи. Группе теперь следовало определиться с тем, какие данные публиковать. Ученые вернулись к некоторым сверхновым, открытым в прошлом, считая, что для окончательных выводов у них недостаточно наблюдений. Однако схожесть результатов по сверхновым 1996 и 1997 годов, открытых с помощью «Хаббла», усилила уверенность членов команды в том, что данные 1997 года являются правильными. Один из членов команды заявил Нугенту, что члены проекта «Сверхновые для космологии» будут выглядеть плохо в глазах общественности, если после открытия каждой сверхновой будут менять показания. Самого Нугента беспокоило столь существенное различие в показаниях. В статье 1997 года, которую в первую неделю октября сдали в журнал Nature, команда указала, что новые данные измерений заставляют предположить, что мы, возможно, живем во Вселенной, где масса материи значительно меньше, чем предполагалось.
Конкуренты из группы поиска далеких сверхновых под руководством Брайана Шмидта тоже подготовили статью, она появилась в Интернете 13 октября. В ней рассказывалось о сверхновых, которые члены группы High-z открыли с помощью «Хаббла». И их показания также говорили о том, что одной материи недостаточно для «производства Вселенной». Похоже, что обе группы на этом этапе подошли к решению вопроса, который и мотивировал исследование ими сверхновых, – судьбе Вселенной.
Если космологической постоянной не существует, то омега имеет низкое значение, а Вселенная открыта, и ей предстоит расширяться всегда. Но даже если космологическая постоянная есть, значение омеги все равно является низким, Вселенная плоская, а расширение Вселенной замедляется вплоть до виртуальной остановки, но она не разрушается. В любом случае расширение Вселенной может продолжаться вечно. Американское Астрономическое Общество пригласило представителей обеих групп на свое заседание и предложило поучаствовать в пресс-конференции в январе 1998 года. Организаторы посчитали, что судьба Вселенной привлечет большую аудиторию. Обе группы согласились. Но оставался вопрос: космологическая постоянная есть или нет?
Герсон Голдхабер считал, что она есть в любом случае. Он представил коллегам гистограммы, в которых использовал данные по всем сверхновым, причем одна гистограмма была составлена для Вселенной без лямбды, а вторая – для Вселенной с омегой и лямбдой (плоской Вселенной). Просматривалась определенная тенденция: чем больше сверхновых анализировала группа, тем ниже получалось значение омеги.
Через две недели эту тенденцию отметили в другой группе. Они признались, что их больше всего беспокоит расхождение данных по первым семи сверхновым, которым была посвящена предыдущая статья их команды, и следующим 31 сверхновой, которые также показывали, что значение омеги уменьшается. Члены группы снова проанализировали данные по первым семи сверхновым и пришли к выводу, что пять из них точно являются одними из наиболее ярких. Но дюжины более тусклых сверхновых толкали значение омеги вниз. Гистограмма показывала, что в большинстве случаев значение омеги равно 0,2.
14 декабря 1997 года Голдхабер представил свои находки на семинаре в Институте теоретической физики при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. На этом семинаре он долго спорил с Киршнером, который в то время занимался научной работой в Калифорнийском университете, получив для этого годичный отпуск в Гарварде. Голдхабер уверенно заявил, что омега может равняться 0,2 только при наличии лямбды.
В то же время предварительные результаты представил общественности и Сол Перлмуттер. Он выступал на физическом факультете Калифорнийского университета в Сан-Диего, потом в Беркли, и наконец в Санта-Крузе. Он тоже говорил о низком значении омеги и о том, что последние открытия могут иметь поразительные последствия для физики. В Санта-Крузе астрофизик Джоэл Примак, прослушав доклад Перлмуттера, согласился, что последствия будут потрясающими, – но только если все сказанное окажется истинным.
Адам Рисс
Адам Рисс из команды Шмидта дружил с Питером Нугентом, они вместе играли в футбол по выходным и, конечно, не могли не говорить о работе, которой оба были увлечены. И в один прекрасный день Рисс решил, что ему надоело слушать об открытии такого большого количества сверхновых, которым хвастались конкуренты, считавшие, что группа High-z от них далеко отстала. Адам Рисс заявил, что если они не могут опередить группу Сола Перлмуттера по количеству, они должны превзойти конкурентов по качеству.
Его первая серьезная работа для получения степени магистра была посвящена проблеме тусклости. Рисса интересовала форма кривых блеска и он предложил математический метод решения: как вывести светимость из подъемов и спусков кривых блеска. Кандидатская диссертация Адама Рисса была посвящена проблемам межгалактической пыли. Если вы пытаетесь определить расстояние до сверхновой, измеряя ее красное смещение, но вам необходимо знать, как пыль влияет на покраснение света (точно так же, как пыль в атмосфере окрашивает закат). Учитывая действие пыли, можно с большей точностью определить расстояние. В группе High-z Рисс считался специалистом по учету влияния межгалактической пыли между сверхновой и наблюдателем для корректировки данных. Поэтому он мог обеспечить меньшую степень ошибки, чем у конкурентов, и, соответственно, большую надежность результатов.
Рисс использовал данные по 22 сверхновым, которые еще не были опубликованы. Они были получены в обсерватории Маунт-Хопкинс в штате Аризона с помощью 1,2-метрового телескопа. Однако добавление этих сверхновых создало новую проблему. Расчеты Адама Рисса дали Вселенную с отрицательной материей! Подумать только – не просто без материи, а с отрицательной!
Вначале Рисс решил: он что-то напутал. В любом деле можно ошибиться десять раз! С другой стороны, компьютеры в физике не разбираются. Они знают только то, что мы программируем. Может, он ввел не ту программу? Рисс проверил свои математические расчеты, потом написанную программу – и не нашел ошибок. Рисс отправил полученные результаты руководителю группы Брайану Шмидту. Шмидт считал Рисса гениальным, но небрежным, однако согласился проверить полученные результаты. Ученые стали регулярно обмениваться письмами по электронной почте: Рисс отправлял Шмидту свои последние расчеты, тот проверял. Рисс был так увлечен, что иногда не мог ждать ответа и звонил Шмидту, забывая, что они находятся в разных часовых поясах. И когда у Шмидта в четыре часа утра звонил телефон, даже его жена уже знала, кто это может быть. Но расчеты подтверждались!
Рисс связался с Ником Сунцеффом в Чили и попросил проверить кое-какие данные фотометрии. Рисс в это время находился в Калифорнии и, несмотря на рождественские каникулы, каждый день работал. Вместе с ним на работу ходил Алексей Филиппенко, который в начале 1996 года перешел из группы Сола Перлмуттера к Брайану Шмидту. В свое время он предупреждал участников проекта «Сверхновые для космологии», которым руководил Перлмуттер, о нестандартности сверхновых типа Ia, о межгалактической пыли, проблемах фотометрии и спектроскопии, но группа под руководством Перлмуттера считала все это мелкими помехами. А в группе Шмидта к идеям Филиппенко отнеслись серьезно.
Адам Рисс показал Алексею Филиппенко свои расчеты. Филиппенко воспринял их с энтузиазмом. Брайан Шмидт подтвердил их правильность.
На пресс-конференцию, организованную Американским Астрономическим Обществом, от группы High-z отправился Питер Гарнавич, с которым Рисс и Филиппенко поделились странными результатами и попросили выяснить, как движутся дела в этом направлении у конкурентов. Пока о результатах Рисса говорить не следовало.
Группа Сола Пермуттера еще таких результатов не получила, но их сверхновые говорили о низких значениях омеги. Однако пока они не могли утверждать, что у Вселенной получается отрицательная масса (то есть, что ее не существует, по сути), если в уравнения не добавлять положительное значение лямбды.
Адам Рисс выключился из работы на пару дней из-за собственной свадьбы, а когда посмотрел почту, увидел огромный список непрочитанных сообщений: члены группы живо обсуждали результаты. С одной стороны, они не хотели оказаться в том положении, в котором однажды оказался Перлмуттер, сообщивший, что омега должна равняться 1 на основании данных по 4 сверхновым, а потом, что должна равняться 0 на основании следующей порции данных. С другой стороны, они могли просто сообщить о наблюдениях и результатах анализа. Их статью могла с интересом прочитать широкая общественность и ученые, просто следящие за этим направлением. Но для космологического сообщества требовались неопровержимые доказательства.
Ошибки вроде бы не было. Никто из группы не мог ее найти. И еще стоял вопрос первенства. Они или группа Сола Перлмуттера? Не хотелось, чтобы Перлмуттер первым публиковал такие же результаты. Члены группы активно спорили, и Адам Рисс, вернувшись на работу прямо с собственной свадьбы, прочитал все, что коллеги писали ему и друг другу во время этого обсуждения. И перед тем как отправиться в свадебное путешествие, Адам Рисс разослал команде сообщение о том, что во время рождественских каникул подготовил представление данных во всех деталях. Они могут опубликовать краткую статью с изложением своей находки, а потом приложить к ней выкладки Адама Рисса. Он отправил подготовленный материал коллегам, а сам полетел с молодой женой на Гавайи.
Тем временем газеты после пресс-конференции сообщали о выводах по судьбе Вселенной, к которым пришли члены двух групп. «Нью-Йорк Таймс» поместила статью на первой странице под заголовком «Вселенная будет расширяться вечно». «Сан-Франциско Хроникл» опубликовала аналогичную статью также на передовице. «Вашингтон Пост» сообщила о вечном расширении Вселенной – можно сказать, что работа двух групп ученых привлекла внимание широкой общественности.
Научная статья появилась в журнале Science через три недели после пресс-конференции. В ней говорилось о том, что обе группы пришли к одинаковому выводу: Вселенная будет расширяться вечно, независимо от ее формы и независимо от значения омеги – будь то меньше 1 или ровно 1. А самое важное заявление было сделано 22 февраля на конференции в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. От группы под руководством Брайана Шмидта выступил Алекс Филиппенко.
Вначале Филиппенко выслушал доклад Герсона Голдхабера о последних достижениях участников проекта «Сверхновые для космологии». Потом об их результатах говорил сам Сол Перлмуттер, но Филиппенко понял, что никто из конкурентов не говорит об открытии, только о «доказательствах» для лямбды. Когда пришла очередь Алекса, он заявил: «У вас или есть результат, или его нет. У группы High-z он есть». Призрак стал реальностью – то есть он и был реальностью, и речь шла о большей части Вселенной.
Расширение не замедляется
После открытия Хабблом соотношения между расстоянием и скоростью астрономы придерживались двух постулатов: во-первых, Вселенная расширяется, во-вторых, Вселенная заполнена материей, которая привлекает другую материю благодаря гравитации. Следовательно, плотность материи должна влиять на скорость расширения. Так как замедляется расширение? Ответ именно на этот вопрос искали две группы, Сола Пелмуттера и Брайана Шмидта. И они добились успеха – нашли ответ. Расширение не замедляется. Исследованная ими Вселенная не была Вселенной, которая делает то, что должна делать Вселенная, полная материи, под влиянием взаимного притяжения объектов. Происходит противоположное! Расширение ускоряется.
Джеймс Гланц, астрофизик и журналист-исследователь, работающий с серьезными изданиями, уже намекал на положительное значение лямбды, в статьях, опубликованных в журнале Science в октябре 1997 и январе 1998 года. Научному сообществу было трудно принять такой результат, и его материалы были восприняты с определенной долей скептицизма. Но одинаковый результат и одинаковые выводы двух групп ученых, о работе которых и о конкуренции между ними знал весь научный мир, должен был изменить ситуацию.
Боб Киршнер сказал, что результат приводит его в невероятное возбуждение. Адам Рисс признался в поражении. Больше всего Гланц цитировал Брайана Шмидта, реакция которого, по его собственному признанию, была чем-то средним между удивлением и ужасом. Он был поражен, потому что никак не ожидал такого результата, а испытывал ужас от того, что большинство астрономов им не поверят, потому что они, как и он сам, с большим скептицизмом относятся к неожиданному.
Такая же реакция была у членов группы Сола Перлмуттера. Они поражались, потому что открыли судьбу Вселенной, а ужасались оттого, что теперь все хотят говорить про ускорение, и открытие ставилось в заслугу конкурентам. Герсон Голдхабер заявил в интервью «Нью-Йорк Таймс», что группа Брайана Шмидта просто подтвердила их результаты, но победила в умении рекламировать свои достижения. На это Боб Киршнер ответил, что самая мощная сила во Вселенной – это не сила тяжести, а зависть. Кстати, сила тяжести не является самой «сильной».
High-z сдали подробную статью в «Астрономический журнал» в начале марта (они выбрали его, а не «Астрофизический журнал», поскольку хотели подчеркнуть, что занимаются астрономией). Статья называлась «Доказательства, полученные из наблюдений сверхновых, для подтверждения ускорения Вселенной и космологической постоянной». В первую неделю мая в «Фермилаб» была созвана конференция для обсуждения результатов, полученных двумя группами, занимавшимися сверхновыми. Я уже упоминал эту Национальную Ускорительную Лабораторию имени Энрико Ферми, подчиняющаяся Министерству энергетики США, в начале книги. Она расположена в штате Иллинойс, недалеко от Чикаго. На конференции присутствовало около 60 человек и 40 из них были готовы принять доказательства.
Если бы такой результат получила только одна команда, научное сообщество отнеслось бы к нему со скептицизмом. Но к одинаковому результату пришли две группы независимо друг от друга, а поэтому он заслуживал серьезного внимания. Более того, команды по большей части использовали различные материалы (совпали лишь очень немногие сверхновые), они использовали разные методы анализа данных (включая корректировку из-за межгалактической пыли) и пришли к выводу, который оказался полной противоположностью ожидаемому.
Поделиться книгой: