Глава 8
13,8
Исследования и спутники
Хотя открытие и исследование реликтового излучения склонило множество ученых к модели Большого взрыва, в середине 1960-х годов все еще велись споры относительно значения постоянной Хаббла и явного противоречия между предполагаемым возрастом Вселенной и расчетным возрастом самых старых звезд. В течение последующих лет наблюдения постепенно уточнялись, внося некоторую ясность, однако должно было пройти еще три десятилетия, прежде чем новейшая технология привела к столь же важному прорыву, каким было открытие Хаббла и Хьюмасона. Этой новой технологией стал космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), позволяющий ученым увидеть Вселенную в недостижимых ранее подробностях и завершить калибровку шкалы расстояний на основе цефеид, начатую самим Хабблом. Важность этого аспекта миссии телескопа подчеркнута коллективом работающих с ним исследователей: они назвали своим ключевым проектом определение значения переменной Хаббла с точностью до 10 % или менее с использованием в целом тех же основных приемов, которые применял Хаббл. Все остальное в работе HST, включая прославившие его великолепные фотографии космических объектов, не столь важно.
Долгий триумфальный путь
Заявленной целью Ключевого проекта было использование измерений расстояний по цефеидам до двух десятков галактик (в каждой из них было изучено множество звезд) для калибровки шкалы расстояний и выяснения значения Н. Это был небыстрый процесс. Каждую цефеиду приходилось изучать сразу на двух длинах волн, чтобы нивелировать затемняющий эффект космической пыли, и каждое из таких наблюдений занимало два оборота вокруг Земли (более трех часов). Затем наблюдения приходилось повторять через несколько недель или месяцев, чтобы выяснить период конкретной цефеиды. Уже после запуска HST в апреле 1990 года в оптике телескопа обнаружился дефект. Его удалось устранить лишь в декабре 1993 года, направив к спутнику миссию с людьми на борту, таким образом, Ключевой проект, по сути, начался лишь в 1994 году. Когда телескоп начал передавать первые результаты и они были донесены до научного сообщества (хотя на их основе еще нельзя было сделать вывод о значении постоянной Хаббла), дискуссии о шкале расстояний во Вселенной вновь оживились. На этом этапе свой скромный вклад в эту историю удалось сделать и вашему покорному слуге.
Первые результаты Ключевого проекта позволяли оценить значение постоянной Хаббла примерно в 80 обычных единиц, но с погрешностью примерно в 20 %, то есть истинное значение могло составлять и 64, и 96. Вспомнив замечание Эддингтона о заурядности Млечного Пути, я с уверенностью заявил коллегам по Сассекскому университету, что если Млечный Путь – лишь обычная спиральная галактика, то наиболее вероятное значение лежит ближе к нижней границе этого диапазона (мое замечание было сделано после семинара по этой теме, ведущий которого настаивал на более высоком значении). Чем больше величина Н, тем ближе должны находиться окружающие галактики и тем мельче оказывается их истинный размер, делая нашу Галактику континентом среди островков.
К моему удивлению, двое коллег, Саймон Гудвин и Мартин Хендри, взялись проверить мою случайную ремарку. Они предложили использовать данные «Хаббла» и другие наблюдения, чтобы узнать, действительно ли Млечный Путь – средняя по размеру спиральная галактика, и если так и окажется, то использовать этот факт для выяснения значения Н. Подробнее об этом проекте я рассказывал в книге The Birth of Time («Рождение времени»), но даже краткое описание будет несложно понять. Сначала, изучив семнадцать ближайших к нам спиральных галактик, расстояния до которых определены достаточно точно (до некоторых по наблюдениям с Земли, до других – с HST), и выяснив их реальные размеры на основе видимых, мы обнаружили, что наша Галактика чуть меньше средней (диаметр Млечного Пути составляет 26,8 килопарсек при среднем показателе 28,3). Надеемся, Эддингтон одобрил бы наши усилия. Затем мы воспользовались данными из каталога RC3 (сокращение от английского названия третьего издания Реферативного каталога ярких галактик), где указаны красные смещения для 3827 спиральных галактик. Используя компьютерное моделирование, мы меняли значение Н и положение галактик относительно Млечного Пути, пока не нашли значение, при котором средний размер тысяч этих галактик не стал равным среднему размеру галактик из нашей местной выборки (17 штук плюс сам Млечный Путь). Значение постоянной Хаббла, к которому мы пришли и которое опубликовали в 1997 году, получилось примерно равным 60. На самом деле наши подсчеты были достаточно грубыми, но самым значимым выводом проекта стало то, что, говоря статистически, шанс, что Н больше 75, равен всего одному к двадцати. Мы точно выяснили, что истинное значение Н лежит ближе к нижней границе диапазона, найденного сотрудниками HST.
Чем больше данных наблюдений за галактиками отправлял на Землю «Хаббл», тем яснее становилось, что по мере уточнения расчетов Ключевой проект приведет к аналогичным выводам. Окончательные его результаты были обнародованы в 2001 году и основывались на данных цефеид и других объектов, откалиброванных с помощью расстояний до этих звезд на дальность до 400 млн парсек (Мпк). Были и другие индикаторы расстояний, откалиброванные по цефеидам, например сверхновые звезды. В итоге удалось прийти к заключению, что метод цефеид, взятый отдельно, дает значение Н = 71 ± 8, а с учетом других измерений, включая данные по сверхновым, выходит 72 ± 8. Так был завершен проект, начатый Эдвином Хабблом более чем за 70 лет до этого. Путь традиционных способов определения Н (и, соответственно, возраста Вселенной) через измерение расстояний до галактик с учетом красных смещений был пройден до конца. В начале XXI века были внесены небольшие уточнения, но они не изменили общей картины[179].
Впрочем, вы могли заметить, что в полученном значении кроется проблема. Во вселенной Эйнштейна – де Ситтера значение Н = 72 предполагает, что возраст Вселенной составляет около 9 млрд лет – намного меньше, чем у самых старых звезд, как его понимали в то время. К 2001 году стало очевидно, что наша Вселенная просто не соответствует этой модели. Доказательства были получены из различных источников, не в последнюю очередь из спутниковых наблюдений за реликтовым излучением.
Не слишком ли идеально?
Первым спутником Земли, запущенным специально для изучения реликтового излучения еще в 1983 году, стал советский «РЕЛИКТ-1». Он доказал осуществимость подобных миссий, но был недостаточно чувствительным, чтобы подтвердить неоднородность излучения в разных точках неба. А сделать это было необходимо, ведь если излучение действительно было отзвуком Большого взрыва, оно должно хранить следы колебаний ранних дней Вселенной, которая развивалась, порождая галактики, которые мы видим сегодня. К началу 1980-х годов космологов уже тревожила кажущаяся излишняя равномерность реликтового излучения: вытекавшая из нее плоскостность Вселенной – баланс между расширением и сжатием – казалась слишком идеальной моделью. Критическая плотность, необходимая для плоскостности Вселенной, должна меняться со временем (она неодинакова для разных космических эпох). Уравнения Эйнштейна говорят нам, что если вселенная рождена из Большого взрыва и ее плотность чуть-чуть больше необходимой для плоской модели, то это отклонение со временем будет возрастать, поскольку наличие излишней материи станет замедлять расширение и поддерживать высокую плотность пространства. И наоборот, если изначально плотность вселенной чуть меньше критической, эта разница начнет увеличиваться в другую сторону, заставляя материю распределяться все менее и менее плотно. Абсолютная плоскостность – наименее вероятная модель из всех возможных[180].
Хотя все и раньше знали об этой проблеме, никто не придавал ей большого значения до тех пор, пока Роберт Дикке и Джим Пиблс, два принстонских исследователя, занимавшихся обнаружением реликтового излучения в середине 1960-х годов, в конце 1970-х не привлекли к ней внимание ученых. В попытках объяснить плоскостность современной Вселенной, ранее исследователи пришли к выводу, что плотность во время Большого взрыва должна была составлять не более одной квадриллионной (1/1015) от критической плотности для того времени. Было очевидно, что этот показатель может сообщить нам нечто важное о рождении Вселенной, но никто не знал, что именно, – вплоть до 6 декабря 1979 года. Алан Гут[181], молодой исследователь из Корнелльского университета, весной того же года присутствовал на лекции Дикке о проблеме плоской Вселенной. Заинтригованный этой загадкой мироздания, он все время держал ее в голове и старался читать о космологии как можно больше. В октябре он на год переехал в Стэнфорд для работы в Центре линейных ускорителей. Знания о физике частиц стали увязываться в его голове с космологическими данными, и 6 декабря после обсуждения любимой темы с приехавшим из Гарварда Сидни Коулманом[182] его осенило. Он просидел за рабочим столом до утра и в пятницу, 7 декабря 1979 года, внес в записную книжку под громким заголовком «ПОТРЯСАЮЩЕЕ ПРОЗРЕНИЕ» свое действительно важное открытие. Он понимал, что натолкнулся на нечто очень важное.
