Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

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.

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.

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 – 10 120 джоулей на кубический километр.

Это катастрофическое несоответствие побудило физиков-теоретиков создать целый сонм альтернативных теорий. Например, предлагали такой вариант: темная энергия может быть своего рода эфиром – особой сущностью, наполняющей космическое пространство. Эта гипотетическая среда сродни энергетическому полю, пронизывающему все пространство; она может меняться со временем и, возможно, даже сгущаться в отдельных местах. Другая гипотеза: темная энергия – это модифицированная форма гравитации, которая на больших расстояниях начинает отталкивать, а не притягивать объекты. Есть множество совсем заумных предположений, например, что наличие темной энергии указывает на потерю квантовой информации или на присутствие радиоволн с длинами в триллионы раз больше, чем наблюдаемая Вселенная.