21.06.2014

Вселенная: неизменная, расширяющаяся, ускоряющаяся

19 июня прошло выступление Бориса Штерна: «Сто лет развития космологии: 1915-2014. Доклад и дискуссия по мотивам книги "Прорыв за край мира"».

Борис Евгеньевич Штерн – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, главный редактор газеты «Троицкий вариант – Наука». Его книга «Прорыв за край мира» вошла в длинный список премии «Просветитель» 2014 года. В книгу включены интервью с Андреем Линде, Владимиром Лукашем, Вячеславом Мухановым, Алексеем Старобинским.

Началом современной космологии можно назвать 1915 год, когда Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Вскоре появились работы российского ученого Александра Фридмана и бельгийца Жоржа Леметра. Благодаря этим ученым на смену представлению о бесконечной и неизменной Вселенной пришла теория расширяющейся Вселенной. Вскоре появились первые данные Хаббла, подтверждающие разбегание галактик. В 1965 году было открыто реликтовое излучение, окончательно подтвердившее факт Большого взрыва.

Второй космологической революцией XX века стало создание инфляционной модели Вселенной. Она смогла объяснить ряд явлений, которые оставались непонятными в рамках стандартной теории Большого взрыва. Например, оставался без объяснения тот факт, что так называемая «модель горячей Вселенной» предъявляла очень высокие требования к однородности и изотропности начального состояния.

Также трудно было объяснить тот факт, что в очень крупном масштабе наша Вселенная чрезвычайно однородна и имеет особую крупномасштабную структуру. Вот как описывает эту структуру Борис Штерн: «[Вселенная] однородна в целом, на больших масштабах — скажем, на расстояниях 300 мегапарсек (миллиард световых лет) однородность соблюдается с хорошей точностью. На меньших масштабах есть галактики, скопления галактик и так называемая крупномасштабная структура, похожая на трехмерную сеть с перепонками, — нечто ячеистое неправильной формы. Самый крупный масштаб этих неоднородностей — примерно 100 мегапарсек (300 млн световых лет). Крупномасштабная структура была выявлена на трехмерных картах распределения галактик в 1980-х годах. Пространство внутри ячеек, между перепонками, называется войдами — там практически нет галактик. Толщина стенок — около одной десятой от их размера. Там, где стенки пересекаются, плотность еще выше, а в узлах находятся гигантские скопления галактик».

Согласно инфляционной модели, на очень ранних этапах после Большого взрыва Вселенная расширялась экспоненциально, с очень большой скоростью. Сформулировал идею инфляционной модели американский физик Алан Гут в 1981 году. Сходную гипотезу выдвигал ранее Алексей Старобинский, один из возможных сценариев инфляционной модели («хаотическая теория инфляции») был описан в 1983 году Алексеем Линде.

Также физики предполагали, что расширение Вселенной со временем замедляется. Но в 1998 было открыто ускоренное расширение Вселенной, то есть обнаружено, что «инфляция» происходит и сейчас. Это было сделано в ходе наблюдений за сверхновыми звездами типа Iа, а затем подтверждено и другими данными. Сверхновые звезды типа Iа иногда называют «стандартными свечами» (standard candles), так как они вспыхивают, когда звезда белый карлик достигает строго определенной и известной с большой точностью массы (предела Чандрасекара). Из-за строго определенной массы, выделение энергии у таких звезд также строго определено, поэтому-то их и удобно использовать для определения расстояния до галактик. Однако обнаружилось, что в далеких галактиках сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, что ожидалась бы, исходя из расстояния до этих галактик, определенного по закону Хаббла. Объяснить это смогли, предположив, что Вселенная расширяется с ускорением. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год. Обнаружение устроенного расширения вселенной привело также к предположению о существовании неизвестного ранее вида энергии (так называемая «темная энергия»).

В результате появилась космологическая модель, которую называют ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), предусматривающая помимо обычной материи также темную материю и темную энергию. Слово «лямбда» в ее названии появилось из-за того, что именно этой греческой буквой обозначалась так называемая «космологическая постоянная» в уравнениях Эйнштейна. Наличие темной энергии подразумевает, что эта постоянная отлична от нуля.

В последние годы было получено немало важных результатов, которые помогли подтвердить инфляционную теорию данными наблюдений. Многие из этих результатов связаны с работой двух космических аппаратов. Аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) был запущен НАСА в 2001 году. Астрономический спутник «Планк» запустило Европейское космическое агентство в 2009 году. Целью обоих космических аппаратов было изучение реликтового излучения. Так как реликтовое излучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, его свойства несут важную информацию об этом моменте. В частности, особенно важны неоднородность и поляризация этого излучения.

Наконец, совсем недавно о подтверждении инфляционной теории данными своих наблюдений заявили ученые, работающие в проекте BICEP2. Они также изучают реликтовое излучение, но их прибор (телескоп-рефрактор) установлен на Земле, точнее – на Южном полюсе, где работает полярная станция Амундсен – Скотт.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru