ускорение и замедление расширения Вселенной

Космос расширяется, и это расширение ускоряется. Но что, если в первые мгновения после Большого взрыва гравитация — искривление пространства-времени массивными телами — работала иначе? Авторы новой работы добавили в уравнения Эйнштейна невидимое поле, которое перехватывает энергию у обычного вещества и излучения.

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Космическая рябь начинается с крошечных сгустков. Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была почти однородной — перепады плотности составляли лишь одну стотысячную. Но гравитация превратила эти слабые всплески в галактики, скопления и гигантские пустоты.

Квантовый компьютер опирается на две силы: запутанность (частицы ведут себя как единое целое) и «магию» — меру того, насколько состояние далеко от привычной классической физики. Но как эти два ресурса связаны, когда система из многих частиц меняется во времени, оставалось загадкой. Авторы работы взглянули на проблему через время.

Десятилетиями радиоастрономия вслушивалась в космос, надеясь уловить узкополосные радиопередачи — техногенный «голос» далёких экзопланет. Но наша собственная технологическая эволюция вскрывает парадокс: громкие аналоговые сигналы, подобные телевещанию 1960-х, — лишь краткий вскрик новорождённой цивилизации.

В космологии назрела драма: два главных музыкальных инструмента — оркестр ранней Вселенной и камерный ансамбль современного космоса — исполняют одну симфонию расширения в разном темпе.

Стандартная модель космологии, опирающаяся на уравнения поля, предложенные Эйнштейном, описывает Вселенную как коктейль из тёмной материи (открытой благодаря Вере Рубин) и тёмной энергии в пропорции примерно 1:3.

Представьте космический оркестр, исполняющий симфонию от Большого взрыва до наших дней. Дирижёр — тёмная энергия — долгое время казался бесстрастным метрономом: космологическая постоянная Λ неподвижна, как палочка, застывшая в воздухе.

Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим прошлое. Закон Эдвина Хаббла превращает красное смещение в машину времени: свет от галактики UDS 12999 шёл до нас 7.6 миллиарда лет — больше половины жизни Вселенной.

Космологическая постоянная Эйнштейна — досадная ошибка или прозрение, вернувшееся бумерангом? Ускорение Вселенной застало физиков врасплох: ΛCDM работает, но почему энергия вакуума столь нелепо мала? Вообразите океан, штормящий квантовыми флуктуациями, но на поверхности — лишь микроскопическая рябь.

Вселенная расширяется с ускорением — словно тесто, которое поднимается всё быстрее, хотя дрожжи давно кончились. Двадцать лет астрономы ищут причину и называют её тёмной энергией. Но что это такое, остаётся загадкой. Новая работа предлагает неожиданный источник: вакуум внутри атомного ядра.

С конца XX века науке известно, что расширение Вселенной ускоряется: галактики разлетаются друг от друга всё быстрее. За это открытие были удостоены Нобелевской премии Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт.

Вселенная растёт, как мегаполис: галактики-небоскрёбы возводятся на невидимом каркасе из тёмной материи — гипотетической субстанции, не излучающей свет, но создающей гравитационное притяжение, которое стягивает строительный материал.

Огромный город каждую ночь зажигает новые фонари. Но однажды налетает ураган, срывает со складов всё топливо, и фонари гаснут один за другим. Нечто похожее астрономы разглядели в галактике, свет от которой шёл к нам 12,5 миллиардов лет. Это массивная система, где звёзды рождались с бешеной скоростью — и тут же запускали механизм собственного уничтожения. В центре сюжета — галактический ветер.

Позднюю Вселенную удобно представить как толпу, расходящуюся после концерта. В стандартной космологической модели ΛCDM люди идут молча, не мешая друг другу. Но что если тысячи зрителей начинают легонько подталкивать соседей?

В конце 1990-х астрономы, включая Сола Перлмуттера, открыли, что Вселенная расширяется с ускорением. Причину назвали тёмной энергией — невидимой силой, распирающей космос.

Космический вакуум — не пустота, а живой океан: его энергия вздымается и опадает, вторя расширению. Словно лунный прилив, плотность вакуума чутко откликается на темп Хаббла — дирижёрскую палочку Вселенной. Этот «бегущий вакуум» не застыл: в нём пульсируют квантовые флуктуации всех полей — от электронных до гипотетических вихрей Великого объединения.

Космология — это музыка сфер, и постоянная Хаббла когда-то казалась нам надёжным метрономом. Но данные инструмента DESI, изучающего спектры миллионов галактик, намекают: дирижёр — тёмная энергия — сам меняет темп по ходу симфонии.

Наша Вселенная не просто расширяется — она делает это всё быстрее. Это похоже на тесто с изюмом в духовке: изюмины удаляются друг от друга, и чем дальше они уже разлетелись, тем быстрее продолжают расходиться. Странная сила, расталкивающая космос, получила название тёмной энергии.

В первые мгновения после Большого взрыва сама ткань пространства-времени могла испытывать квантовые флуктуации, подобно тому, как натянутая струна вибрирует от случайного прикосновения. Затухая, эти колебания должны были оставить отпечаток в крупномасштабной структуре космоса — так называемый эффект памяти гравитационных волн.

Вселенная расширяется, и в её истории есть два удивительных эпизода, которые пока не укладываются в простую картину. Первый — короткий период в молодости, когда всё разлеталось быстрее, чем ожидалось, словно кто-то нажал педаль газа. Второй — сегодняшнее ускорение, будто та же педаль снова утоплена, но уже мягче.

Надувной шар сначала раздувается медленно, а потом вдруг — всё быстрее и быстрее, словно кто-то подкачивает его изнутри. Примерно так ведёт себя наша Вселенная: галактики разбегаются с ускорением. Виновницу этого разгона называют тёмной энергией. В простейшем варианте она похожа на ровный гул — космологическую постоянную, которая не меняется со временем.

Вселенная — огромный город. Тёмная материя — невидимый каркас зданий, а тёмная энергия — сила, растягивающая улицы. Долгое время их считали независимыми, но новое исследование уличило их в тайном общении.

Галактика подобна космическому автобану, где звёзды-автомобили мчатся по круговым орбитам. Их скорость определяется невидимым «грузом» массы, заключённым внутри орбиты: чем массивнее центральная область, тем быстрее несутся звёзды на периферии.

Маятник сам выбирает, как ему качаться. Если толкнуть его слишком сильно, он быстро вернётся к плавному ритму. Если задержать в крайнем положении — будет стоять, но стоит отпустить, и он снова придёт в привычное движение.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

Две чёрные дыры — сверхмассивные объекты, чья гравитация не выпускает даже свет, — обращаясь друг вокруг друга, ведут себя подобно лодке, которая гребёт звёздами. Каждая пролетающая мимо звезда, захваченная гравитацией пары, отбрасывается прочь, словно гребок веслом, и передаёт системе импульс.

Представьте Вселенную как надувающийся воздушный шар: его поверхность расширяется, и галактики, словно точки на резине, удаляются друг от друга. Но квантовая механика накладывает жёсткое ограничение — невозможно одновременно с высокой точностью измерить, насколько этот «шар» велик и как быстро он раздувается.

Воздушный шар надувают, но с каждым нажатием насоса резина не просто растягивается — она слегка меняет свою эластичность. Похожим образом работает гравитация в новой модели: не как жёсткая сцена для космического спектакля, а как живой материал, отзывающийся на каждую крупицу вещества.

После Большого взрыва тёмная материя — загадочный компонент, проявляющий себя только через гравитацию — и обычное вещество, состоявшее в основном из водорода, приобрели разные скорости.

Воздушный шар надувают. Сначала он раздувается медленно, потом кто-то резко доливает воздух — и шар расширяется быстрее. Но вот поток воздуха слабеет, и шар снова начинает раздуваться медленнее. Примерно так, согласно новой работе, вела себя Вселенная: после Большого взрыва она расширялась, потом вдруг ускорилась, а теперь ускорение сходит на нет.

Тёмную материю никто не видел, но её притяжение чувствует каждая галактика. Чаще всего её представляют как море одинаковых молчаливых частиц. Новая работа рисует более живую картину: два сорта частиц, тяжёлый и лёгкий, и между ними идёт постоянный обмен.

Бросьте два одинаковых камешка с вершины горы: один ляжет на сантиметр левее, и через минуту они окажутся в разных долинах. Галактика — та же гора, только камешков в ней миллиарды, а склон тянется миллионы лет. Авторы новой работы смоделировали диск из 40 миллионов точек-звёзд и проверили, как быстро он забывает, где был вначале. Оказалось, почти мгновенно.

В отличие от далёких галактик, застывших для нас в древних световых образах, Млечный Путь — наш собственный звёздный дом — доступен для наблюдения в реальном времени. Сопоставив данные, накопленные за три десятилетия, исследователи зафиксировали удивительную динамику: центр Галактики словно набирает обороты.

Галактики разбегаются, но скорость расширения, измеренная по свечению после Большого взрыва и по взрывам сверхновых, не совпадает — эту проблему назвали хаббловским напряжением. Словно два танцора, которые сбиваются с ритма, потому что не чувствуют друг друга.

Учёные предложили модель, в которой загадочная сила — тёмная энергия, ответственная за ускоренное расширение, — обладает чем-то вроде инерции: ей требуется время, чтобы отреагировать на изменения, подобно тому как тяжёлый маятник не сразу меняет своё движение.

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.

Ранняя Вселенная была далека от совершенства: одни её области растягивались быстрее других, создавая складки и перекосы в ткани пространства-времени. Однако квантовый отскок — переход от сжатия к расширению, вызванный законами микромира, — всё исправляет.