Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной
Шрифт:
Одно из величайших космологических открытий [208] за последние двадцать лет состоит в том, что расширение Вселенной – раздувание и рост самой ткани пространства, которое расталкивает галактики друг от друга, – идет с ускорением. Грубо говоря, хотя все вещество во Вселенной обеспечивает достаточно гравитационной тяги, чтобы в конечном итоге замедлить расширение Вселенной, получившее мощный первотолчок в момент Большого Взрыва, сейчас Вселенная повышает темп расширения. Чтобы подтвердить, что она ведет себя именно так, астрономы тщательно изучили то, как тускнеют яркие сверхновые с увеличением расстояния. Оказывается, этот процесс прекрасно соответствует расширению Вселенной с ускорением. Это открытие подтверждено самыми разными астрономическими свидетельствами – например, тем, что звездные скопления и группы галактик с течением времени (в космических масштабах) расширяются, и эфемерным отпечатком
208
Так и есть – несколько ученых, сыгравших в нем важнейшую роль, получили за него в 2011 году Нобелевскую премию. На основании измерения яркости очень далеких сверхновых они оценили, как расширение Вселенной ведет себя в космических временных масштабах. И оказалось, что примерно 5 миллиардов лет назад Вселенная перешла от расширения с замедлением (из-за гравитационного воздействия всей массы) к расширению с ускорением. Найдено и много других признаков расширения с ускорением, которые подтвердили эту гипотезу.
Почему же так произошло? Самый простой ответ – мы еще не знаем, а поскольку мы признаем, что чего-то не знаем, то обозвали причину всеобщего ускорения неожиданно честно – «темной энергией», в честь собственной темноты и невежества. Хороший вариант состоит в том, что это энергия вакуума как такового – зыбучего океана «виртуальных» пар частиц, которые то возникают, то исчезают вследствие фундаментальной природы квантовомеханической неопределенности. Этот океан обладает странными свойствами, например, создает отрицательное давление – испускает отталкивающее гравитационное поле. Расширение Вселенной просто создает место для того, чтобы «плотности энергии вакуума» становилось все больше и больше, и в результате она начинает преобладать в балансе космических энергий и расталкивает пространство еще дальше.
Чем в результате окажется темная энергия, мы пока не знаем, но сегодня она составляет около 70 % общего количества энергии во Вселенной, и, если опустить подробности, можно сказать, что, похоже, она никуда не денется. Как выясняется, это приводит к колоссальным последствиям для того самого периода космического времени, в котором нам с вами выпало жить.
В 2007 году физики Лоуренс Краусс и Роберт Шеррер [209] опубликовали крайне интересное и скандальное исследование на эту тему. Они изучали, как влияет расширение Вселенной на астрономические наблюдения тех или иных ее обитателей, а конкретно – почему Вселенная будущего повернется к космологам, если такие найдутся, совершенно иной стороной.
209
Сугубо научная статья – L. Krauss and R. Scherrer. The Return of a Static Universe and the End of Cosmology // General Relativity and Gravitation 39 (2007): 1545–50. Те же авторы составили и великолепное научно-популярное описание – L. Krauss and R. Scherrer. The End of Cosmology? // Scientific American 298 (March 2008): 46–53.
Для этого они представили себе, как бы выглядела Вселенная в глазах биологического вида, который во всем похож на нас, но живет в галактике в глубинах космоса через 100 миллиардов лет. Если эти существа изготовят устройства вроде телескопов и станут разглядывать в них Вселенную, они обнаружат, что за звездами их галактики… ничего нет. Почему? Потому что темная энергия довела расширение Вселенной до точки, где видимый свет из других галактик растянется до такой степени, что перестанет быть виден. Космос за пределами галактики пропадет из виду.
Существа из будущего, само собой, не обязательно встревожатся, а просто отметят, что Вселенная, содержащая видимый свет, состоит из их «островной Вселенной», их галактики, а больше там ничего нет. Вот, собственно, и все. Однако, спрашивают Краусс и Шеррер, как этот биологический вид разработает точную космологическую теорию, если его данные окажутся настолько ограниченными? Ведь в ничто обратится не только видимый свет далеких галактик, но и другие жизненно важные признаки Вселенной, у которой был момент рождения, и все следы Большого Взрыва.
Еще в 1960-е годы ученые обнаружили всепроникающее фоновое микроволновое излучение. Благодаря этому открытию и удалось доказать идею Большого Взрыва. Микроволновое излучение – это реликты минувшего, когда Вселенная была так горяча, что не пропускала свет: это было примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва и примерно 13,8 миллиардов лет назад. Теперь мы регистрируем это фоновое излучение как очень равномерный, однако не абсолютно однородный шум микроволновых фотонов, которые разбегаются по Вселенной
И это еще не все: в описываемом будущем изменится даже баланс элементов, из которых составлена космическая материя. На сегодня мы видим, что примерно 74 % массы обычного вещества в космосе составляет водород, а 24 % – гелий, и этот состав очень близок к первичным пропорциям водорода и гелия. Вместе с еле заметными следами дейтерия (тяжелого изотопа водорода) баланс этих элементов в основном и позволяет делать выводы относительно состояния юной Вселенной – жаркой и плотной: это, так сказать, отпечатки пальцев Большого Взрыва. Однако пройдет 100 миллиардов лет, и звезды будут посредством термоядерного синтеза преобразовывать в гелий все больше водорода, отчего пропорция сдвинется, и гелия станет целых 60 %. От первоначального соотношения ничего не останется, а следы дейтерия, которые мы находим сегодня, по большей части пропадут – близкий к нам дейтерий в значительной мере уничтожат звезды, а далекий пропадет из виду, поскольку к тому времени мы уже не будем видеть излучения других галактик. Гора в очередной раз родит мышь.
В сущности, история самих звезд находится сейчас на интересном перепутье. Астрономы уже 20 лет знают, что в прошлом звезды в галактиках формировались в гораздо более высоком темпе [210] . В последние годы ученые приложили героические усилия, чтобы при помощи телескопов составить карты и охарактеризовать галактики, существовавшие на разных этапах истории космоса, и по результатам этих наблюдений были проделаны исследования, которые позволили уяснить всевозможные детали с беспрецедентной точностью. Судя по всему, более половины звезд, которые мы наблюдаем сегодня, возникли в период от 11 до 8 миллиардов лет назад, когда разыгралась настоящая вакханалия звездопроизводства. Сегодняшние темпы формирования звезд составляют едва лишь 3 % от того, что было 11 миллиардов лет назад, и довольно быстро снижаются. А следовательно, за остаток жизни Вселенной будет создано лишь 5 % от того числа звезд, которое уже возникло.
210
Сейчас, когда я пишу эти строки, самые свежие оценки формирования звезд в космических временных масштабах сделаны в статье D. Sobral et al. A large Ha Survey at z = 2.23, 1.47, 0.84 and 0.40: The 11 Gyr Evolution of Star-Forming Galaxies from HiZELS // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 428 (2013): 1128–46.
Это неожиданно и неприятно. Выходит, мы существуем на пороге долгих космических сумерек. А поскольку подавляющее большинство звезд составляют маленькие красные звезды – и они же живут дольше всех – получается, что Вселенная в целом становится тусклее и краснее, и так будет долго-долго. В наши дни в некоторых галактиках звезды вообще не возникают. Ученые полагают, что и наша Галактика – Млечный Путь – переживает переходный период – сокращает производство новых звезд и планет и создает лишь одну-две звездные системы в год. Это примерно средний показатель сегодняшней производительности галактик.
Почему так получается? Отчасти потому, что сырье для создания новых звезд – газ и пыль, оставшиеся от предыдущих звездных поколений, поначалу собирались в сгустки благодаря гравитации, а теперь снова развеиваются. Энергия звезд и сверхновых, а также та энергия, которую создает вещество, падающее на гигантские черные дыры [211] , рассеивает вещество в галактиках. А галактики растут и сливаются несопоставимо более вяло, чем когда-то, а между тем именно эти процессы активизируют и стимулируют конденсацию новых звезд из межзвездного сумрака. Правда, слияния галактик все равно хоть редко, но происходят. Пройдет 4–5 миллиардов лет, и соседняя с нами галактика Андромеда натолкнется на нас – и в результате этого космического «тектонического сдвига», вероятно, будет создана целая плеяда новых звезд. Правда, по вселенским масштабам продлится это недолго, может быть, пару сотен миллионов лет, а затем самые крупные и яркие из новых звезд умрут, и мы вернемся к неизбежному будущему – тусклому и красноватому.
211
По чистому (гм) совпадению я написал об этом книгу. C. Scharf. Gravity’s Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos. New York: Scientific American / Farrar, Straus and Giroux, 2012).