Нобель за ускорение

4 октября в Стокгольме были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии 2011 года по физике. Половину премии получил Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), вторую половину разделили Брайн Шмидт (Brian P. Schmidt) и Адам Рисс (Adam G. Riess). Американские астрофизики получили премию за открытие ускоренного расширения Вселенной путем наблюдения за удаленными сверхновыми звездами. Новость о премии комментирует кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ Сергей Попов.

Вручение Нобелевской премии за открытие ускоренного расширения Вселенной по данным о сверхновых во многом и ожидаемо, и заслуженно. Когда в 1998-99 годах появились статьи лауреатов, было ясно, что это грандиозно, если верно. Сейчас, благодаря множеству разнообразных независимых наблюдений мы знаем, что гипотеза об ускоренном расширении наилучшим образом позволяет описать большой комплекс космологических данных. У нас есть данные по реликтовому излучению, по параметрам структуры распределения галактик и их скоплений (это само по себе является набором большого числа независимых результатов по разным объектам) и т.д. Все они свидетельствуют о том, что темная энергия есть, и что результаты 1998 года верны.

Безусловно, факт ускоренного расширения Вселенной является одним из ключевых в нашем понимании глобального устройства мира.

Напомню, что теоретики, конечно, держали в голове возможность того, что расширение Вселенной может не замедляться, как это считалось в стандартных моделях и 80, и 15 лет назад, а ускоряться. Дело в том, что, во-первых, еще в самых первых работах по глобальным свойствам Вселенной в рамках Общей Теории Относительности Эйнштейн ввел т.н. «лямбда-член» – дополнительный член в уравнении, работающий против гравитации, когда мы рассматриваем динамику Вселенной. Эйнштейну этот было нужно, чтобы сделать Вселенную стационарной.

Довольно быстро идея стационарной Вселенной была отброшена под напором экспериментальных фактов, о «лямбда-члене» практически забыли и упоминали его как «главную ошибку Эйнштейна» (легенда о том, что сам Эйнштейн считал введение «лямбда-члена» своей главной ошибкой принадлежит перу Георгия Гамова, но другими источниками не подтверждается). Потом, однако, в разных работах рассматривались модели Вселенной, где этот «лямбда-член» доминирует – тогда Вселенная расширяется с огромной скоростью. Во-вторых, важнейшим элементом стандартной космологической картины является стадия инфляции. На этой стадии Вселенная также расширяется с фантастической быстротой. Так что самой возможностью ускоренного расширения Вселенной теоретиков было не удивить, но никто не думал, что это происходит прямо сейчас.

Данные по сверхновым позволили показать, что с достаточной степенью надежности последние несколько миллиардов лет расширение Вселенной идет все быстрее и быстрее. Эффект слабый, но четко видимый в данных. Были, однако, и сомневающиеся. Действительно, постулируя столь сильный тезис, авторы делали важные предположения о свойствах далеких сверхновых. Не все с ними соглашались, но сомнения постепенно отпадали по мере того, как новые данные, со сверхновыми уже не связанные, подтверждали модель, в которой доля странной субстанции, ускоряющей разлет галактик, составляла около 70 процентов. Это нечто называют темная энергия (напомним, что около четверти плотности Вселенной связано с темной материей, но это, скорее всего, лишь пока незарегистрированные частицы, слабо взаимодействующие друг с другом и с обычным веществом).

Что такое темная энергия, мы пока не знаем. Также мы не знаем, какой будет динамика расширения Вселенной в будущем. Есть самые разные модели, но пока не хватает данных, чтобы прийти к какому-то определенному выводу. Возможно, поле, отвечающее за ускорение расширения, со временем будет эволюционировать («распадаться»), и тогда ускорение – лишь эпизод в жизни Вселенной. Возможно, темная энергия связана со свойствами вакуума, и тогда она будет работать всегда. В этом случае, далекие галактики будут улетать все дальше от нас, и Вселенная будет выглядеть для нас все более пустой. Есть и совсем «экстремистские» модели, в которых само ускорение увеличивается, и, в конце концов, наступает «большой разрыв» (big rip) – когда любые связанные объекты разрываются силами, разрывающими Вселенную на кусочки.

Чтобы понять, какой из сценариев верен, какова природа темной энергии, необходимы новые исследования. Запланированы новые спутники и наземные проекты, которые по наблюдениям сверхновым и структуры распределения галактик смогут точнее определить динамику расширения Вселенной на протяжении последних миллиардов лет. Это позволит продвинуться в решении важнейшего космологического вопроса.