Сверхновые — возвращение лямбды

 

Хотя оказалось, что теория инфляции согласуется с данными, полученными со спутника СОВЕ, все же до 1990-х годов астрономы роптали на то, что она вопиющим образом нарушает экспериментальные данные, касающиеся значения со. Впервые ситуация начала изменяться в девяностых в результате обработки данных, полученных из совершенно неожиданной области. Астрономы пытались пересчитать скорость расширения Вселенной в далеком прошлом. Вместо анализа переменных цефеид (которым в 1920-е годы занимался Хаббл) астрономы начали изучение сверхновых в далеких галактиках на расстоянии миллиардов световых лет в прошлом. В частности, они исследовали тип сверхновых 1а. Сверхновые этого типа — идеальные кандидаты в стандартные свечи.

Астрономам известно, что все сверхновые этого типа характеризуются приблизительно одинаковой яркостью. (Яркость сверхновых типа 1а изучена настолько хорошо, что могут быть замечены даже небольшие отклонения: чем ярче сверхновая, тем медленнее убывает ее яркость.) Такие сверхновые Появляются, когда белый карлик в двойной звездной системе медленно вытягивает вещество из своего спутника. Кормясь от сестры-звезды, белый карлик постепенно увеличивает массу, и так до тех пор, пока она не достигает 1,4 солнечной массы, максимально возможной для белого карлика. Превысив этот предел, они коллапсируют и взрываются как сверхновые типа 1а. Эта предельная масса и объясняет тот факт, что все сверхновые типа 1а так однородны в своей яркости — это естественное следствие того, что белые карлики увеличивают массу ровно до 1,4 солнечной массы, а затем коллапсируют под воздействием силы гравитации. (Как показал Субраманьян Чандрасекар в 1935 году, в белом карлике сила гравитации, разрушающая звезду, уравновешивается силой отталкивания электронов, которая называется давлением вырожденных электронов. Если белый карлик превосходит 1,4 солнечной массы^А, то гравитация преодолевает эту силу и звезда разрушается, а результатом этого разрушения становится сверхновая.) Поскольку взрывы отдаленных сверхновых произошли в молодой Вселенной, то посредством их анализа можно рассчитать скорость расширения Вселенной миллиарды лет назад.

Две независимые группы астрономов — возглавляемые Солом Перлмуттером «Проект космологии сверхновых» (Supernova Cosmology Project) и Брайаном П. Шмидтом «Группа поисков сверхновых с большим красным смещением» (High-Z Supernova Search Team) — рассчитывали обнаружить, что Вселенная, продолжая расширяться, все же постепенно замедляет скорость расширения. Для нескольких поколений астрономов это было догмой, которой учили во всех курсах космологии, — «изначальное расширение постепенно замедляется».

После того как каждая из групп изучила около дюжины сверхновых, они обнаружили, что Вселенная расширяется не так быстро, как считалось раньше (то есть красное смещение сверхновых — а следовательно, и их скорость — было меньше априорных ожиданий). При сравнении скорости расширения ранней Вселенной и Вселенной наших дней обе группы астрономов заключили, что в наши дни скорость расширения Вселенной — не меньше, а больше. К своему большому удивлению, обе группы пришли к поразительному выводу: расширение Вселенной ускоряется

В полное смятение их привело то, что ни одно из значений со не вписывалось в полученные ими данные. Единственным способом, позволяющим согласовать данные и теорию, было возвращение лямбды ().), энергии вакуума, впервые введенной Эйнштейном. Более того, астрономы обнаружили, что to была просто задавлена необычайно большой что вызывало ускорение Вселенной по сценарию де Ситтера. Две группы совершенно независимо друг от друга пришли к этому потрясающему выводу, но не торопились публиковать результаты из-за господствующего предубеждения, что значение). равнялось нулю. Как сказал Джордж Джейкоби из обсерватории Китт-Пик: «). всегда была донкихотским понятием, и любого, кто был достаточно не в себе, чтобы сказать, что она не равна нулю, считали спятившим».

Шмидт вспоминает: «Я все еще качал головой, но мы все проверили… Мне не хотелось говорить об этом людям, потому что нас разорвали бы на части». Однако, когда в 1998 году обе группы опубликовали свои результаты, целую гору представленных ими данных было не так-то легко сбросить со счета. «величайшая ошибка» Эйнштейна, которую в современной космологии практически и не вспоминали, возвращалась через 90 лет забвения!

Физики были ошеломлены. Эдвард Виттен из Института передовых исследований в Принстоне заявил, что это было «самое необычайное экспериментальное открытие с того момента, как я начал заниматься физикой». Когда значение со = 0,3 добавили к значению Х =0,7, то сумма оказалась (с учетом погрешности в ходе эксперимента) равной 1,0, то есть результат совпал с тем, который предсказывала теория инфляции. Будто бы части головоломки встали на свои места, и космологи увидели недостающий фрагмент в теории инфляции. Он пришел прямиком из вакуума.

Этот результат был самым впечатляющим образом подтвержден спутником WMAP, который показал, что энергия, приписываемая или темная материя, составляет 73 % всего вещества и энергии во Вселенной, что отводит ей доминирующее место в космической головоломке.

 

Фазы Вселенной

 

Возможно, основным вкладом спутника WMAP в науку стало то, что он дал ученым уверенность в правильности Стандартной модели космологии. Хотя и до сих пор существуют огромные «белые пятна», перед глазами астрофизиков начинают вырисовываться общие контуры Стандартной теории, рождающейся из общего количества полученных данных. Согласно картинке, которую мы сейчас складываем из отдельных элементов, в эволюции Вселенной по мере ее остывания прослеживались отдельные этапы. Переход от одного этапа к другому означает нарушение симметрии и отсечение одного из фундаментальных природных взаимодействий. Ниже представлены те фазы и вехи, которые известны нам на сегодняшний день: 1. До 10"⁴³секунды — эпоха Планка.

Об эпохе Планка точно почти ничего не известно. При энергии Планка (10¹⁹млрд электронвольт) гравитационное взаимодействие было столь же сильным, как и остальные многочисленные силы. Как следствие, четыре взаимодействия Вселенной были, видимо, объединены в единую «сверхсилу». Возможно, Вселенная существовала в совершенном состоянии «небытия», или пустого пространства с большим количеством измерений. Та загадочная симметрия, которая смешивает все четыре взаимодействия, оставляя уравнения неизменными, — скорее всего, «сверхсимметрия» (см. главу 7). По неизвестным причинам эта загадочная симметрия, объединявшая все четыре взаимодействия, была нарушена, и сформировался крошечный пузырек — эмбрион нашей Вселенной, возникший, возможно, в результате значительной, но случайной флуктуации. Размеры этого пузырька не превышали длины Планка, которая составляет 10"³³см.

2. 10" секунды — эпоха ТВО.

Произошло нарушение симметрии, что стало причиной образования стремительно расширяющегося пузырька. По мере того как пузырек расширялся, четыре фундаментальных взаимодействия стремительно отделились друг от друга. Гравитация первой отделилась от трех остальных взаимодействий, вызвав ударную волну во всей Вселенной. Изначальная симметрия сверхсилы была нарушена и превратилась в симметрию меньшего порядка, которая, возможно, содержала в себе симметрию ТВО SU(5). Оставшиеся сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были все еще объединены симметрией ТВО. На этом этапе Вселенная расширилась в невероятное количество раз (возможно, в 10⁵⁰), и расширение это было вызвано неизвестными до сих пор причинами; пространство расширялось со скоростью, астрономически большей, чем скорость света. Температура была 10³²градусов.

3. 10^-34секунды — конец инфляции.

Температура упала до 10²⁷градусов, когда сильное взаимодействие отделилось от двух других сил. (Группа симметрии ТВО распалась на SU(3)xSU(2)xU(l).) Инфляционный период завершился, дав Вселенной возможность идти по пути стандартного расширения Фридмана. Вселенная состояла из горячего плазменного «супа» свободных кварков, глюонов и лептонов. Свободные кварки превратились в нынешние протоны и нейтроны. Наша Вселенная была еще довольно маленькой, размером всего лишь с сегодняшнюю Солнечную систему. Вещество и антивещество аннигилировались, но существовал крошечный перевес вещества над антивеществом (1 миллиардная доля), в результате которого возникла вся материя вокруг нас. (Это энергетический диапазон, который, как мы надеемся, будет дублирован в течение нескольких следующих лет ускорителем частиц — Большим адронным коллайдером (the Large Hadron Collider).)

4. 3 минуты — образование ядер.

Температуры упали достаточно низко для образования ядер, которые теперь не разрывало сильным жаром. Водород синтезировался в гелий (создав сегодняшнее соотношение: 75 % водорода к 25 % гелия). Образовались ничтожные количества лития, но синтез более тяжелых элементов прекратился, потому что ядра с 5 частицами были слишком неустойчивы. Вселенная была непрозрачной, свет рассеивался свободными электронами. Этот момент отмечает конец первозданного огненного шара.

5. 380 ООО лет — возникновение атомов.

Температура упала до 3000 градусов по Кельвину. Атомы формировались электронами, окружающими ядра, которые не разрывало жаром. Фотоны теперь могли свободно передвигаться, не будучи поглощенными. Это и есть то самое излучение, которое было измерено спутниками СОВЕ и WMAP. Вселенная, когда-то непрозрачная и наполненная плазмой, стала прозрачной. Небо вместо белого стало черным.

6. 1 млрд лет — звезды отвердевают.

Температура упала до 18 градусов. Начали формироваться квазары, галактики и галактические скопления," в большинстве своем представляющие побочный продукт многочисленных крошечных волн в первоначальном облаке пламени. В звездах начали «печься» легкие элементы, такие, как углерод, кислород и азот. Взрывающиеся звезды извергали в небеса элементы с атомным весом выше железа. Это самая отдаленная эпоха, которую мы можем исследовать с помощью космического телескопа Хаббла.

7. 6,5 млрд лет — расширение де Ситтера.

Расширение Фридмана завершается, и Вселенная постепенно ускоряет свое расширение и входит в фазу ускорения, которая называется расширением де Ситтера, вызванным загадочной антигравитационной силой, природа которой не раскрыта и до сегодняшнего дня.

8. 13,7 млрд лет — сегодня.

Настоящее. Температура упала до 2,7 градуса. Мы наблюдаем сегодняшнюю Вселенную, состоящую из галактик, звезд и планет. Расширение Вселенной продолжает стремительно ускоряться.

 

Будущее

 

Хотя сегодня инфляционная теория способна объяснить столько загадок Вселенной, это еще не служит доказательством того, что она верна. (Кроме того, недавно были предложены конкурирующие теории, как мы увидим в главе 7.) Данные, касающиеся сверхновых звезд, предстоит еще проверять и проверять, принимая во внимание такие факторы, как пыль и аномалии, возникающие при образовании сверхновых. «Дымящимся пистолетом» (то есть последней, явной уликой), который окончательно подтвердит или опровергнет инфляционный сценарий, являются «гравитационные волны», возникшие в момент Большого Взрыва. Подобно микроволновому фону, эти гравитационные волны должны по-прежнему отражаться во Вселенной и, по сути, могут быть обнаружены при помощи детекторов гравитационных волн, как мы расскажем в главе 9. Теория инфляции содержит некоторые предположения относительно природы этих гравитационных волн, и детекторы должны обнаружить их.

Но один из наиболее интригующих прогнозов теории инфляции не может быть проверен прямым путем. Этот прогноз — существование в Мультивселенной «дочерних вселенных», которые живут по несколько иным физическим законам. Чтобы осознать все, что влечет за собой факт возможного существования Мультивселенной, необходимо прежде всего понять, что теория инфляции полностью укладывается в причудливые уравнения Эйнштейна и квантовой теории. Согласно теории Эйнштейна, существование многочисленных вселенных является возможным, а по квантовой теории у нас даже есть средства для передвижения между ними. И в рамках новой М-теории мы можем обрести новую, окончательную теорию, которая поможет раз и навсегда решить вопрос о параллельных вселенных и путешествии во времени.

 

 

ЧАСТЬ II

Мультивселенная

 

ГЛАВА5