Взрыв сверхновой звезды ученые используют в качестве «стандартной свечи»
Современная наука утверждает, что наша Вселенная лишь на 5% состоит из «обычной», привычной нам материи. Еще примерно четверть составляет загадочная темная материя, о которой нам известно довольно мало, поскольку она недоступна прямому наблюдению.
Наибольшая же часть — оставшиеся две трети — приходятся на еще более загадочную темную энергию, о которой мы и вовсе не знаем практически ничего, но именно она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.
Однако недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи, сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах.
Сенсационное заявление прозвучало на собрании Американского астрономического сообщества в Гонолулу и вызвало ожесточенную полемику в научных кругах, поскольку фактически ставит под вопрос принятую на сегодняшний день модель устройства Вселенной.
Критики работы указывают на ее возможные недостатки и напоминают о других косвенных доказательствах устоявшейся теории.
Однако, несмотря на все усилия, ученые уже 20 лет не могут объяснить природу темной энергии (или хотя бы приблизиться к такому объяснению). И сенсационная работа южнокорейских астрономов — не первая попытка опровергнуть само ее существование.
Что такое темная энергия?
В 1990-е годы астрономы обнаружили, что галактики не просто разбегаются в разные стороны, а делают это все быстрее и быстрее — то есть Вселенная расширяется с ускорением.
Это открытие сильно озадачило ученых, поскольку совершенно не укладывалось в принятую модель. Наблюдения телескопов опровергали сам принцип гравитации: ведь силы притяжения, возникающие между любыми материальными объектами, по идее должны замедлять расширение, а никак не ускорять его.
Для того чтобы как-то объяснить это противоречие, и была выдвинута гипотеза темной энергии — некой неведомой силы, которая заставляет галактики ускоряться.
Грубо говоря, ученые обнаружили в существующей теории дыру и наложили на нее заплатку: ввели в уравнение новую переменную, которая позволяла сойтись сделанным ранее расчетам.
Так эффект темной энергии изображают в НАСА
С тех пор наблюдения астрономов принесли еще несколько не вполне объяснимых результатов, однако каждый раз их выручала все та же «математическая заплатка». С ней формулы сходились — а значит, существование загадочной энергии получало все новые косвенные подтверждения.
В 2011 году открытие ускоряющейся Вселенной было удостоено Нобелевской премии по физике, а гипотеза о темной энергии окончательно легла в основу современной космологии.
Как было сделано это открытие?
Один из способов измерить расстояние в астрономии — так называемый метод «стандартных свечей», на основе наблюдения за сверхновыми звездами определенного типа.
Когда звезда из типа белых карликов резко сжимается под действием гравитации и взрывается, этот взрыв сопровождается яркой вспышкой сверхновой. При этом, где бы ни располагалась такая звезда, ее яркость (ученые используют термин «светимость») примерно одинакова — во всяком случае так было принято считать до последнего времени.
Однако при наблюдении с Земли яркость сильно зависит от расстояния: чем ближе взорвавшаяся звезда, тем ярче вспышка. И это позволяет довольно точно рассчитать, насколько далеко произошел взрыв.
Помимо «стандартных свечей», для расчета астрономических расстояний используются и другие способы — например, уравнение Хаббла, составленное для равномерно расширяющейся Вселенной. И когда разные методы дают один и тот же результат, они как бы подтверждают друг друга.
Но в 1998 году астрономы вдруг обнаружили, что в удаленных галактиках разные способы подсчета приводят к разному результату. Расстояние, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается значительно больше, чем рассчитанное ранее по методу Хаббла.
«Карта» темной материи, составленная в 2006 году
Численный анализ заставил ученых предположить, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось ранее, и расширение это происходит с ускорением.
20 лет назад эта гипотеза звучала совершенно революционно, но сегодня в научном мире это общепринятая точка зрения.
Что изменилось теперь?
Команда астрономов из Университета Ёнсе в Сеуле и Лионского университета провела наиболее точные измерения возраста большинства галактик, где наблюдались вспышки сверхновых.
Результаты исследования, на которое ушло девять лет, показали, что яркость сверхновых звезд абсолютно соотносится с возрастом родительской галактики и не требует никаких дополнительных переменных. То есть в галактиках разного возраста светимость сверхновых будет разной.
Другими словами, расхождение измерений, поставившее ученых в тупик в 1998 году, легко объясняется одной лишь эволюцией яркости звезд — и нет никаких оснований предполагать, что Вселенная расширяется с ускорением.
А значит, отпадает и необходимость объяснения этого ускорения — загадочная темная энергия оказывается просто не нужна.
«Как говорил [американский астроном] Карл Саган, экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, а я вовсе не уверен, что у нас есть подобные экстраординарные доказательства существования темной энергии», — заявил руководитель исследования, профессор Ён Вук Ли.
«Наши результаты показывают, что сама гипотеза темной энергии на основе космологии сверхновых, удостоенная в 2011 году Нобелевской премии по физике, может базироваться на ненадежном и попросту ошибочном предположении», — утверждает он.
Ученые 20 лет искали то, чего нет?
Публикация работы южнокорейских астрономов подлила масла в огонь ожесточенной полемики, которая разгорелась в научном сообществе в последнее время.
Дело в том, что в ноябре и декабре были опубликованы сразу две работы, предлагающие альтернативные объяснения ускорению Вселенной.
В одной статье оно объясняется квантовыми свойствами материи (так называемым эффектом Казимира). В другой и вовсе делается предположение, что Вселенная на самом деле не ускоряется: противоречия в измерениях 1998 года объясняются лишь точкой, из которой ведется наблюдение.
«Важно понимать, что непосредственно ускоренное космологическое расширение наблюдать невозможно, — поясняет автор первой статьи Артем Асташенок, возглавляющий лабораторию астрофизики и космологии в Балтийском федеральном университете. — Когда астрофизики говорят об этом, то речь всегда идет об интерпретации тех или иных измерений».
Взрыв сверхновой звезды
Так или иначе, все три опубликованные в последние месяцы работы объединяет одно: ни одна из них не требует существования темной энергии. Той самой невидимой силы, которую физики и астрономы искали последние 20 лет. Той самой, за «открытие» которой в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Той самой, которая лежит в основе современных представлений о Вселенной.
Возможно, сама гипотеза о ее существовании изначально была ошибкой.
Что все это значит?
Наука постоянно развивается, углубляя наши представления об окружающем мире. Но выдвигаемые теории, объясняющие тот или иной феномен, не так уж редко впоследствии оказываются неточными или даже откровенно ошибочными.
Например, сейчас любой школьник знает, что горение — это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом. Однако этот химический элемент был открыт только в конце XVIII века, а до этого ученые считали, что все горючие вещества наполняет таинственная огненная субстанция — флогистон, который высвобождается при горении и смешивается с воздухом.
Когда выяснилось, что при прокаливании стали масса металла не уменьшается, а наоборот увеличивается, ученые озадачились — но быстро придумали объяснение: очевидно, флогистон обладает отрицательной массой.
Даже открытый в 1774 году кислород поначалу называли «дефлогистированный воздух» — то есть воздух, который очищен от флогистона и потому лучше поддерживает горение.
И темная энергия вполне может оказаться «флогистоном XXI века» — если в итоге выяснится, что на самом деле расширение Вселенной не ускоряется.
С другой стороны, наблюдения последних 20 лет дали ученым немало результатов, косвенно свидетельствующих в пользу ускоренного расширения (1, 2). И не очень понятно, как объяснять эти наблюдения, если отказаться от принятой теории.
«В таком важном вопросе требуется комплексный подход, поэтому рано говорить о том, что ускоренное расширение Вселенной связано просто с ошибочной интерпретацией данных наблюдений, — предупреждает Асташенок. — Но сама по себе возможность объяснить ускоренное расширение без темной энергии весьма интересна».
«Конечно, с точки зрения «бритвы Оккама», обойтись без темной энергии было бы хорошо, — резюмирует эксперт, — это избавило бы от многих проблем. Так что подождем развития дискуссии».