— Давайте попробуем разобраться с расширением Вселенной, но прежде мы поговорим об ее основах.
— Астрофизика включает в себя то, что называют космологией. Есть разные области, направления, и все знания, которые мы получаем, — это наблюдательные знания, и они идут из астрономии. Через телескопы ученые наблюдают всевозможные излучения, которые приходят к нам из разных направлений. Не так давно удалось наблюдать Вселенную не только в диапазоне электромагнитного излучения, но и в нейтрино. В первом случае речь идет об обычном электромагнитном излучении, в частности о свете. Первые наблюдения были сделаны через обычный телескоп, и многие задавались вопросом, что там, и потом догадались, что это диск Галактики и что мы находимся в этом диске. Речь идет о наблюдении за объектами, которые находятся очень далеко от нас и с нами гравитационно не связаны. На первый взгляд может показаться немного странным это понятие, но оно появилось в тот момент, когда люди увидели и правильно интерпретировали такое явление, как покраснение света от некоторых объектов. Ученые наблюдают свет от далеких объектов, и в этом представлении считается, что физика на Земле такая же, как и на Луне, на Солнце и далеких объектах. Если там такая же физика, то там и такие же химические элементы, и их поведение, когда их возбуждает излучение, такое же: они излучают такой же свет, как на Земле. Мы смотрим на далекие объекты и ждем от них такой же свет, а свет приходит другой, немного смещенный, он краснеет. Интерпретация этого явления такая же, как интерпретация изменения звука поезда, который двигается вдоль перрона. Мы слышим изменение звука поезда, который проезжает мимо нас. Объект, который произвел излучение, был в движении. Все объекты, которые мы наблюдали, двигаются от нас. Все смещается в одну сторону, и все уходит от нас. Интерпретация предложена следующая: объекты в своей локальной области двигаются, как им положено, и так же взаимодействуют с другими такими же объектами, а вот с далекими объектами все по-другому, и интерпретация такая, что часть пространства удаляется от нас, и так происходит со всеми частями пространства, в которых находятся эти далекие объекты.
— Мы наблюдаем свет от звезды или спектр галактики. Он должен идти по некой траектории, но у него есть это красное смещение.
— Он идет по понятной траектории, но в данном случае изменяется его частота и длина волны, то есть он был зеленый и, когда дошел до нас, стал красным. То, что он был зеленый, мы верим, потому что астрономы представляют себе, как устроены галактики, и мы верим, что физика у них такая же, как у нас здесь. Совокупность знаний о физике и знаний о строении звезд в нашей Галактике позволяет вывести постулат, что соответствующий спектр частотных характеристик такой же, как и у нас. Мы ожидаем увидеть яркие линии от излучения, которые связаны с молекулярными и атомными переходами, и мы верим, что эти все явления такие же. Все разбегаются, и мы делаем вывод, что мы либо являемся выделенным центром, либо так устроено везде. Например, если бы мы были не здесь, а на альфе Центавра, то там было бы так же — все ото всех улетает, если они, конечно, гравитационно не связаны. Речь идет о гравитационно несвязанных объектах, не о Луне с Землей, не о ближайших к нам галактиках. Такая интерпретация была предложена ученым Хабблом, который сейчас больше известен по телескопу, чьим именем он был назвал. Он измерил эти явления и вывел закон: чем больше смещается линия, чем больше смещается свет в красную область, тем на большем расстоянии находится объект. Этот закон линейный. Расстояние до объекта прямо пропорционально этому смещению. Смещение можно измерить и получить расстояние до объекта, только для этого нужно вычислить константу пропорциональности, которую он вывел из своих наблюдений, и эта константа пропорциональности называется «константа Хаббла». Забавно то, что он ее вычислил неправильно. Современное значение этой константы, которая была измерена с высокой точностью разными методами, в 10 раз меньше, чем вычислил Хаббл.
— Мы не можем поставить эксперимент, а можем только наблюдать.
— Конечно, мы только наблюдаем. Появился источник, от него пошел свет, он идет, и Вселенная расширяется, в ней происходят свои процессы, он входит в галактику, и там тоже свои процессы. Потом мы поймали свет и должны от всего этого мусора откреститься и сказать, а как же свет распространялся и как он изменял свое движение из-за того, что Вселенная расширялась.
То есть наша Вселенная расширяется, и хочется понять, с чем это связано. На самом деле, если говорить о большой Вселенной и больших расстояниях, все фундаментальные силы умирают, кроме гравитации. А гравитация — это притягивающая сила. И пришло представление о том, что когда-то был Большой взрыв, который все разбросал, и теперь это расширение замедляется, потому что гравитация все притягивает друг к другу. Тем самым пришли к выводу, что Вселенная должна расширяться с замедлением, так как гравитация останавливает расширение. Суть состоит в том, что в зависимости от некой детали устройства нашей Вселенной на очень больших расстояниях будущее Вселенной могло бы быть разным. Это расширение могло остановиться, могло бы и не останавливаться, но оказалось, что все не так, и в 1998 году стали появляться довольно подробные исследования сверхновых, расположенных на разных космологически больших расстояниях. Сверхновые дают яркие и мощные вспышки, и можно смотреть на Вселенную на очень больших расстояниях. Вспышка видна далеко. До этого для объектов использовались звезды, которые ближе к нам располагаются. Звезды называют цефеидами и их используют и сейчас. Блеск у звезды периодичен, то есть то ярче, то тусклее. Этот период зависит от ее собственной светимости: 40 Вт или 60 Вт. Для лампочки 40 Вт период будет, условно говоря, два дня, для лампочки 60 Вт будет один день. Период измерить очень легко. После измерения я понимаю, что лампочка 60 Вт, после этого я измеряю ее яркость, нахожу величину смещения спектра в красную область и тем самым подтверждаю закон Хаббла, то есть определяю этот параметр. Теперь аналог этого же — только не для звезд, а для сверхновых — позволил определить этот параметр Хаббла, и мы увидели, что он не такой. Дальше мы стали разбираться, какой он, и выяснили, что, в принципе, он может быть другим. Стали разбираться, что же это за величина и что на нее влияет. Мы увидели, что есть такое явление, и эмпирически вывели закон: чем больше расстояние, тем больше смещается излучение в красную область. После того как мы поверили в теорию относительности, нужна теория, которая сможет это доказать и связать эти наблюдения. Источник гравитации — это материя и другие компоненты. Эти компоненты определяют гравитационный потенциал, который определяет темп расширения Вселенной. Это дается уравнением Фридмана. Теория возникла вместе с наблюдениями в 20-х годах прошлого века и довольно успешно себя подтвердила. Ученые, которые работают с экспериментальными данными, пытаются понять, а какие есть компоненты в нашей Вселенной, вставляют эти компоненты в уравнение Фридмана, измеряют параметр Хаббла, чтобы таким образом понять состав. В 1998 году ученые поняли, что во Вселенной есть компонента, которая сейчас называется темной энергией. Состав этой компоненты совершенно новый, потому что в физике частиц такого явления не было. В каком-то смысле это можно называть энергией вакуума. В гравитации энергия гравитирует, то есть является источником гравитации. Вселенная, оказывается, не замедляется, а, наоборот, расширяется с ускорением. Такого явления никто не ожидал.
— Замечание по поводу мощности лампочки. 40 Вт — это потребляемая мощность?
— Яркость — это то, что измеряет экспериментатор, он измеряет, сколько фотонов каких энергий прилетает к нему в единицу времени на его площадку детектора, где он регистрирует. Если говорить о телескопе, то там есть линзы; те фотоны, которые пролетели через линзу, нам и говорят об объекте, а то, что слева и справа, мы не зарегистрировали. Мощность — это правильная единица, характеризующая источник. В данном случае это светимость объекта. Это то, сколько и каких фотонов он запустил в единицу времени.
— Темная энергия — это что-то темное, страшное и почти метафизическое.
— Ранее уже была введена такая компонента, которую назвали темной материей. С точки зрения гравитации она ведет себя так же, как и обычная материя, но темная она потому, что мы ее не видим в телескоп. Ввести ее пришлось из-за наблюдений, которые имеются для вращения звезд в галактиках, вращения облаков в звездных галактиках, для явления линзирования на скоплениях, когда мы видим источник, свет летит мимо мощного гравитационного поля, создаваемого скоплением галактик, и искажается. Мы видим картинку искажений, появляется много образов, и у каждого образа мы можем посмотреть спектр, амплитудно-частотную характеристику излучений. Мы видим, что эти образы одинаковые и пришли от одного объекта. По этой картинке образов можно восстановить гравитационный потенциал, линзу, которая исказила так же, как кривое стекло искажает свет. При восстановлении не хватает обычной материи, той, которую мы видим в телескоп, чтобы объяснить это явление. Если мы посчитаем, что там есть материя, которая не светит в телескоп, но также собирается в гравитационных центрах, ведет себя точно так же, как звезды, только не излучает, то все сойдется. И таких проявлений темной материи очень много. В эту компоненту поверили давно, задолго до появления указаний на новую компоненту, которая является постоянной, ее иногда называют темной энергией. Имеющиеся экспериментальные результаты согласуются с представлением того, что, возможно, это такая константа.
— Могут ли астрономы ошибаться?
— Астрономы обнаружили и стали кричать, что Вселенная расширяется с ускорением и что есть темная энергия, которая, возможно, за это ответственна. Им поверили не все, так как это странный объект по многим причинам. Их начали пытаться проверять таким же способом, то есть, используя другие телескопы, астрономы проводили исследования и пытались по другим сверхновым определить эту величину. После этого люди увидели проявление этой странной субстанции в разных других местах. Например, во Вселенной происходит постоянный рост структур, образуются первичные звезды, потом мелкие галактики, более крупные галактики, мелкие скопления, крупные скопления, и дальше такой рост структур во Вселенной, которая наполнена только материей, продолжался. Гравитация все замедляет, все медленнее расширяется Вселенная, и гравитация может схватить еще более далекие объекты и сформировать более крупную структуру. Из-за того, что Вселенная стала расширяться с ускорением, этот процесс остановился. И мы видим, что в современной Вселенной скопления уже не образуются. Процесс образования структур завершился на крупных скоплениях некоторое время назад, и мы видим этот этап. Мы видим, что до какого-то момента скопления увеличивались, а потом все остановилось, и новые скопления не образуются. Вся совокупность наблюдений сошлась в том, что это все-таки космологическая постоянная или темная энергия.
— Вы не боитесь, что расширение сменится сжатием, и Вселенная сожмется в точку?
— Такое может произойти, но в данном случае вопрос о времени. Тут утверждение такое, что мы не можем предсказать будущее достаточно хорошо, потому что мы не понимаем, что это за «темная энергия». До условной катастрофы у нас есть еще примерно столько же времени, сколько уже прожила Вселенная. Это 15 млрд лет, и это довольно много.
— Какие перспективы у этих исследований?
— Проводятся поиски частиц темной материи по миру, и время от времени появляются обнадеживающие высказывания о том, что ученые видят какой-то сигнал. Что собой представляет темная материя — это обычная задача физики, которую люди пытаются решить, найти частицы, которые дают такой мощный гравитационный потенциал, а пока мы их не видим в телескоп, потому что они электрически нейтральны. Другая задача, которая пока не решена и непонятна: мы все состоим из частиц, а антивещества у нас нет, при этом на Большом адронном коллайдере частицы и античастицы рождаются парами, но как так получилось, что мы остались с веществом, а антивещества у нас нет? Это непонятно. То есть где-то в истории нашей Вселенной был этап, на котором, можно так сказать, нас обокрали. Куда делось антивещество? Объяснить, куда делись античастицы, невозможно. Это загадка. Тут, как и в случае с материей, требуется модификация физики частиц, и нужно добавить некие новые частицы, которые бы позволили во Вселенной создать ситуацию, позволяющую нам родить больше частиц, а не античастиц. Весной 2014 года был шум из-за утверждения экспериментаторов, что они обнаружили гравитационные волны. Напрямую мы пока не видели гравитационные волны, хотя за них получена Нобелевская премия. Она получена за их опосредованное наблюдение. Двойная система меняет характер своего излучения в соответствии с представлениями общей теории относительности, что когда две звезды в экстазе крутятся друг напротив друга, то излучают не только в электромагнитном диапазоне, но также излучают и в гравитационном. Если говорить о реликтовом излучении, то это эпоха образования водорода в ранней Вселенной, а если говорить о реликтовых гравитационных волнах, то это более ранняя эпоха, гипотетическая стадия, и эта стадия предсказывает образование крупных гравитационных волн, которые превышают размер галактики.
— Любопытно то, что космология и астрофизика занимаются прошлым, наблюдают следы прошлого.
— В данном случае наблюдают следы прошлого, но если говорить о космологической постоянной, то ее проявление есть и в современной Вселенной. Вселенная расширяется, и плотность галактик падает. В прошлом плотность была выше, и плотность водорода была выше и превышала плотность космологической постоянной. Многие проявления гравитационных волн мы видим в поляризации реликтового излучения. Оно образовалось, когда нашей Вселенной было 300 тыс. лет, а сами гравитационные волны образовались, когда Вселенной было 10-20 секунды. Проявиться они смогли только за счет явлений и процессов, которые происходили в более поздней Вселенной. Это интересный сюжет: с одной стороны, мы смотрим на позднюю Вселенную и фотоны, которые мы регистрируем, — это сегодняшние фотоны, но излучились они давно, а с другой стороны, бывает, что, производя наблюдения на больших масштабах, мы изучаем очень раннюю физику. Вселенная была чудовищно плотной. Плотность энергии во много раз превышала ту, что нам доступна на Большом адронном коллайдере, поэтому, производя наблюдения за большими волнами на больших расстояниях, мы исследуем физику в очень малых масштабах и в очень больших энергиях, до которых мы больше никак добраться не можем. Явление произошло очень давно, но осознаем мы его сегодня, пытаясь открутить всю историю назад.
