Уходящие звезды
Некоторые звезды заканчивают свое существование катастрофическим взрывом, который называют сверхновой. Светимость такого события так высока, что сверхновые можно видеть с огромного расстояния. Все взрывающиеся сверхновые класса Ia имеют одинаковую яркость независимо от того, в какой точке Вселенной они находятся. Сравнив это значение с их видимой яркостью, мы можем определить, на каком расстоянии от нас расположена такая сверхновая.
Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то, зная расстояние от сверхновой до Земли, можно предсказать ожидаемую величину красного смещения с учетом такого постоянного расширения. Но, когда такое теоретическое красное смещение сравнили со значениями, измеренными для удаленных сверхновых, астрономы были поражены. Значения красного смещения не совпадали. При постоянной скорости расширения Вселенной красное смещение должно было быть гораздо большим. Скорость изменения красного смещения далеких галактик, свет которых позволяет нам заглянуть в прошлое, оказалась меньшей, чем та же скорость, измеренная для более близких галактик. Единственное возможное объяснение состоит в том, что расширение пространства было значительно более медленным в ранней Вселенной, а потом начало ускоряться, разрывая космос на части.
Судя по всему, около 7 миллиардов лет назад случилось нечто драматическое. Вплоть до этого момента расширение, по-видимому, замедлялось, как и следовало ожидать, с учетом тормозящего эффекта гравитационного воздействия содержащейся во Вселенной материи. Но затем, примерно в середине прошедшего на данный момент периода существования Вселенной, характер расширения изменился, и его скорость начала возрастать, как будто кто-то резко нажал на педаль газа. Ученые называют топливо, питающее это ускорение, темной энергией.
Насколько мы можем судить, в течение первой половины периода существования Вселенной плотность материи была достаточной для создания замедляющего гравитационного притяжения. Однако по мере расширения Вселенной эта плотность уменьшилась до такого уровня, на котором смогла вступить в игру скрытая до тех пор темная энергия. Считается, что плотность темной энергии не уменьшается с расширением. Согласно этой точке зрения, она является свойством самого пространства.
Если такое ускорение продолжится, это может иметь самые удивительные последствия. Сфера, заключающая в себе видимую Вселенную, увеличивается с течением времени, в результате чего мы должны видеть все большую и большую часть пространства. К сожалению, само это пространство расширяется так быстро, что звезды, находившиеся раньше внутри сферы видимой Вселенной, оказываются вытолкнуты за край этой сферы. Так что в будущем все галактики кроме нашей собственной должны исчезнуть из виду и навечно остаться за пределами сферы нашей видимой Вселенной. Хотя эта сфера и расширяется, скорость ее расширения никогда не будет достаточной, чтобы догнать галактики, уносимые от нас ускоряющимся расширением пространства.
Представим себе, что развитие жизни заняло больше времени и люди начали заниматься астрономией лишь после того, как все интересные объекты уже были вытеснены за горизонт. Наше представление об эволюции Вселенной было бы совершенно иным. Она выглядела бы как та статичная Вселенная, которую мы представляли себе до того, как наши телескопы смогли разглядеть другие галактики. Поэтому то, что мы можем знать, зависит от времени появления человека во Вселенной. Наши занятия астрономией стали возможны потому, что мы живем в особое время.
Астрономы отдаленного будущего не будут забираться на высокие горы и смотреть в телескопы, подобные тому, что стоит в обсерватории «Сфинкс». Вместо этого им придется обращаться к книгам и журналам, хранящим данные, собранные предыдущими поколениями астрономов прежде, чем то, что они наблюдали, было вытолкнуто за наши космические горизонты. Может быть, астрономия будущего будет лучше подходить подобным мне жителям долины Темзы, которые предпочитают высокогорным обсерваториям низинные библиотеки.
Стоит отметить, что звезд нашей Галактики мы не лишимся. Нашу Галактику скрепляет локальное гравитационное притяжение, воздействующее на близлежащие звезды. Расширения пространства недостаточно, чтобы растащить эти звезды в разные стороны, но оно заставляет задуматься о том, что уже успело исчезнуть из нашего поля зрения, которое могло бы быть совершенно иным.
Когда вы едете в автомобиле и хотите увеличить скорость, вы нажимаете на педаль газа: при сгорании топлива выделяется необходимая для ускорения энергия. Откуда же берется топливо, или энергия, обеспечивающая ускорение Вселенной, и может ли она в конце концов закончиться, как топливо в баке машины?
Ответа на этот вопрос мы не знаем. Темная энергия называется «темной» в том принятом в космологии смысле, что она, по-видимому, никак не взаимодействует со светом или другими формами электромагнитного излучения. Другими словами, обнаружить ее мы не можем. Существуют некоторые предположения о природе темной энергии. Одно из них касается космологической постоянной, которую, как известно, Эйнштейн вставил в свои уравнения, пытаясь сделать Вселенную статичной. Но теперь эту константу используют для расширения пространства. Обычно мы предполагаем, что энергия, распределенная в пространстве, расходуется или становится менее плотной по мере расширения этого пространства. Однако эту энергию считают сейчас свойством самого пространства. С увеличением пространства ее плотность не уменьшается – вместо этого дополнительно создается темная энергия. В каждом отдельном кубометре пространства она постоянна. Другими словами, она имеет фиксированную плотность. Ускорение представляет собой бесконтрольный, неостановимый процесс. Это не противоречит закону сохранения энергии, так как темную энергию рассматривают как энергию отрицательную, прирост которой уравновешивается увеличением кинетической энергии, сопровождающим расширение пространства.
Если расширение Вселенной будет продолжать ускоряться, то мы никогда не сможем получить информацию из-за пределов некоей сферы, в центре которой мы находимся. Информация распространяется со скоростью света. В статичной Вселенной это означало бы, что любая информация может достичь нас по прошествии достаточного времени. Во Вселенной, расширяющейся с постоянной скоростью, как показывает пример муравья на растягивающейся резиновой ленте, также следует ожидать, что любая информация, распространяющаяся по бесконечной Вселенной, рано или поздно доберется и до нас. Но в условиях ускоряющегося расширения существуют объекты, которые никогда не смогут преодолеть разделяющее нас пространство достаточно быстро, чтобы скомпенсировать это ускорение. В соответствии с современной оценкой космологической постоянной, предположительно определяющей это расширение, считается, что радиус сферы, из-за которой мы не сможем получить никакой информации, посланной в данный момент, равен сейчас 18 миллиардам световых лет.
По мере расширения пространства между звездами свет этих звезд претерпевает красное смещение, и чем больше растягивается пространство, тем большей становится длина волны света. Нам кажется, что звезды гаснут, когда длина волны света увеличивается настолько, что мы уже не можем его увидеть. Это же относится и к той части реликтового излучения, которую мы можем распознать: длины волн этих ранних фотонов растягиваются настолько, что обнаружить их становится почти невозможно.
Поражает воображение мысль о том, что в будущем, когда красное смещение реликтового излучения возрастет настолько, что его уже нельзя будет обнаружить, а галактики окончательно исчезнут из виду, у космологов может не остаться оснований считать, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Возможно, цивилизации будущего вернутся к той модели Вселенной, в которую верили древние: в ней наша Галактика окружена пустотой, а все сущее содержится в бумажном икосаэдре, который я сделал, чтобы ориентироваться в космосе. Ничто не будет свидетельствовать об однородности Вселенной. Мы снова окажемся в исключительной точке мироздания, окруженной ничем.
Космические отпечатки
Если Вселенная бесконечна, то вероятность существования чего-то, не поддающегося нашему познанию, кажется весьма высокой. Само устройство Вселенной, по-видимому, лишает нас надежды наблюдать такие явления. И все же Вселенная, находящаяся за пределами нашего горизонта видимости, может оставлять отпечатки в той части космоса, которая нам видна.
Если Вселенная конечна, это налагает ограничения на некоторые из возможных резонансов. Представим себе Вселенную в виде огромного резонатора наподобие корпуса моей виолончели. Форма виолончели подобрана так, чтобы резонансные частоты вибраций, возможных в таком корпусе, создавали приятное уху звучание. Собственно говоря, одним из отличий произведения Страдивари от виолончели фабричного изготовления является совершенство формы, которое создает более красивое звучание.
