Абсолютный финал

     В череде событий 1998 года (война в Косово, свержение режима Сухарто в Индонезии, выход Windows 98, сексуальный скандал в Белом Доме, основание Google, запуск первого модуля будущей МКС, начало уничтожения Ирака как суверенной страны в ходе операции «Лиса пустыни») специальный выпуск журнала Science, увидевший свет 18 декабря, событием не стал. Редакционная статья авторитетного журналиста Джеймса Гланца, по совместительству доктора физики Принстонского университета, объясняла широкой публике, почему престижная премия «Прорыв года» (Breakthrough of the year) присуждена коллективу Supernova Cosmology Project (SCP) из научного центра Lawrence Berkeley National Laboratory.

Название статьи – «Космическое движение обнаружено» (Cosmic Motion Revealed) – мало что говорило даже специалистам в области астрофизики и космологии. Последняя, кстати, в конце 90-х испытывала кризис неопределенности, связанный с нехваткой объективных научных данных, подтверждающих или опровергающих одну из многочисленных теорий. Если с началом бытия все было более-менее понятно (big bang, реликтовое излучение, постоянная Хаббла и т. д.), то картина возможного финала (не библейского, а научно обоснованного) оставалась размытой и неясной.

   Возможных сценариев, укладывающихся в рамки привычных представлений, всего два. Определяющим фактором в них выступает средняя плотность вещества. Если она не дотягивает до определенного порога (так называемой критической плотности, равной 9,3 ? 10?27 кг/м3), то гравитация не может остановить «расползание», Вселенная обречена на бесконечное расширение и в очень отдаленной перспективе – на переход в квазистационарное состояние и крайне скучную «тепловую смерть», которая погубит структурированность и упорядоченность любого характера и превратит космос в холодный «бульон» из элементарных частиц с фантастически низкой плотностью – одна частица на весь объем наблюдаемой ныне Вселенной!

Если же вещества достаточно, то современная фаза замедляющегося расширения сменится сжатием, в результате которого произойдет «большой взрыв наоборот» – Вселенная стянется в суперядро, которому не останется ничего иного, как породить новый (или очередной?) «Большой взрыв». Такая концепция космической цикличности любопытным образом перекликается с идеей бесконечных буддистских перерождений сообразно накопленному заряду кармы, если только единению астрофизиков и богословов не помешает энтропия, физическая категория, упрощенно отражающая степень хаотичности сложной системы. Неустранимая и все время нарастающая, она может быть побеждена только локально интенсивным трудом живых существ (в сущности, жизнь вообще и разум в частности являются попыткой Матери-Природы одолеть энтропию хотя бы на узком участке фронта).

Главная действующая сила этих сценариев – гравитация, единственное фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в космических масштабах. Так считало подавляющее большинство астрофизиков и космологов, придерживающихся принципа Оккама (знаменитой «бритвы», полезной и в обычной жизни), а генеральной темой исследований стало достоверное определение средней плотности вещества во Вселенной.

«Направление главного удара» научного поиска, понятное даже на бытовом уровне, на деле представляет собой безумно сложный комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых задач, каждая из которых – будь то определение расстояний до квазаров, поиск невидимой материи или создание квантовой теории гравитации – требует приложения немалых интеллектуальных сил.

Но к началу нового тысячелетия возможный космологический сценарий сильно усложнился. Работа нобелевских лауреатов 2011 года Сола Перлмуттера, Адама Рисса и Брайана Шмидта была совсем не революционной, а, скорее, наоборот. Хронологически первым научным коллективом, воочию убедившимся в «неправильности» поведения Вселенной, стала интернациональная группа ученых, возглавляемая Солом Перлмуттером из Беркли. Базовой площадкой выбрали обсерваторию Roque de los Muchachos, расположенную на острове Пальма Канарского архипелага. Установленный в 1988 году 2,56-метровый Северный оптический телескоп (Nordic Optical Telescope – NOT) привлек внимание превосходными фотометрическими характеристиками, объясняемыми применением так называемой активной (то есть оснащенной управляемыми компьютером приводами, компенсирующими деформацию зеркала) оптики и новейших приемников излучения, работающих в криогенной среде. Кстати, самый «активный» телескоп на сегодняшний день – японский 8,2-метровый Subaru с тонким (20 см) и «легким» (около 23 т) зеркалом с 261 (!) корректирующим сервоприводом. Для нужд спектроскопии подходил 165-дюймовый (4,2 м) рефлектор имени Вильяма Гершеля (The William Herschel Telescope – WHT).

Формальной целью работ было наблюдение далеких сверхновых звезд типа Ia, обладающих примерно одинаковой мощностью излучения в максимуме блеска и наличием в спектре ярко выраженной линии кремния II (? = 6150 A). Такие объекты в силу своей похожести стали «стандартными свечами» в определении галактических расстояний и уточнении величины постоянной Хаббла, одной из фундаментальных констант, отражающих процесс расширения Вселенной. По наибольшей видимой звездной величине сверхновой в максимуме блеска (весь процесс вспышки скоротечен и занимает всего 2–3 недели) и сравнении с истинной стандартной светимостью можно найти расстояние. В то же время его можно определить и по красному смещению спектра сверхновой.

Пронаблюдав несколько десятков таких объектов в широком диапазоне z (z – относительное изменение длины волны излучения движущегося объекта, объясняемое эффектом Допплера: при удалении принимаемая длина волны растет, то есть спектр смещается в красную длинноволновую сторону, и значение z больше нуля), возможно будет уточнить массу космологических параметров: величину постоянной Хаббла, плотность вещества, степень кривизны пространства и т. д.

Все это хорошо, но как же их обнаружить, сверхновые Ia, объекты очень недолговечные по космическим меркам? Большие телескопы подобны оперным дивам – их график расписан на многие и многие месяцы, наблюдательное время выделяется по предварительным заявкам, как минимум, за полгода вперед, и вклиниться с экстренной программой наблюдений просто невозможно.

Решение проблемы, предложенное Солом Перлмуттером, было простым и привязывалось к периодам новолуния, когда засветка от Луны не мешает наблюдению очень далеких объектов. Именно в это время небольшими телескопами фотографировались несколько десятков квадратов неба в направлении известных скоплений галактик. Операция повторялась в следующее новолуние, и оставалось только сравнить последовательные изображения площадок. Отметим, что такой способ фиксации изменений был известен давно. Для этого астрономы придумали остроумный прибор – блинк-компаратор, в котором оператор просматривал пары слайдов одного и того же участка неба, и любое изменение бросалось в глаза подобно кадрам мультфильма. 

В преддверии нового тысячелетия кропотливую и скучную работу взяли на себя компьютеры, да и вся наблюдательная астрономия полностью отошла от романтических представлений о бессонных ночах, проводимых самоотверженными учеными в холодных башнях. Телескопы по сути превратились в гигантские объективы специализированных цифровых фотоаппаратов, обработка изображений насквозь компьютеризовалась, а развитие коммуникаций позволило получать данные наблюдений на рабочий компьютер за тысячи километров от обсерваторий.

Более того: в крупных научных центрах накоплены гигантские массивы еще необработанного наблюдательного материала, полученного в ходе разнообразных цифровых обзоров неба. В принципе, в них кроется не один десяток «нобелевок», и дело только за построением оригинальной теории и получением доступа к этой богатейшей коллекции информации!

Но Сол Перлмуттер точно знал, что ему нужно. Данные поступали к нему в виде больших таблиц с перечислением визуальных изменений, обнаруженных неутомимыми компьютерами. Такие предварительные данные давали возможность «натравливать» на перспективные объекты серьезные инструменты и получать исчерпывающую информацию о светимости и спектре сверхновых.

Время показало действенность методики Перлмуттера. Уже к 1995 году группа SCP записала на свой счет семь сверхновых, в том числе и самую далекую с параметром z = 0,458. Земля слухом полнится, и способ будущего Нобелевского лауреата вдохновил Брайана Шмидта, сотрудника австралийской обсерватории Маунт Стромло (Mount Stromlo), на создание аналогичной команды – High-Z Supernova Team (HZT), ставшей хорошим раздражителем для калифорнийцев из Беркли.

18 февраля 1998 года на III международной конференции, посвященной изучению скрытой массы (Sources and Detection of Dark Matter), состоявшейся в знаменитом «УКЛЕ» (University of California, Los Angeles), обе группы выступили с подробными докладами, основанными на анализе данных по 42 (SCP) и 16 (HZT) сверхновым. Во-первых, у всех звезд красное смещение получилось больше, чем следовало из стандартного метода сравнения видимого блеска и истинной светимости. Другими словами, постоянная Хаббла, связывающая скорость удаления космических объектов с расстоянием до них, оказалась эволюционирующей во времени. За этим простым выводом последовало и более фундаментальное утверждение: Вселенная расширяется несколько быстрее, чем это следует из устоявшихся ранее привычных гравитационных воззрений. На роль нового «игрока», энергично «расталкивающего» Вселенную не в пример ленивой гравитации (да и то – средняя плотность вещества составляет всего 30 % от критической, даже с учетом гипотетической «темной материи»), чаще всего претендует «темная энергия», создающая отрицательное давление и парадоксальным образом сохраняющая объемную плотность.

Открытие ускоряющегося расширения Вселенной фактически ставит крест на гипотезе о циклах «расширение-сжатие», такой привлекательной для буддистов с их учением о переселении душ и шансом на исправление ошибок нынешней жизни. Теперь остается гадать о каверзах «темной материи»: «размажет» ли она все сущее в туман невообразимо малой плотности, в котором невозможны никакие события и тем более жизнь в любом мыслимом проявлении? Или же, в концов концов, она приведет к «большому разрыву», превзойдя все известные взаимодействия, в том числе и наисильнейшее ядерное, превратив в ничто даже элементарные частицы. Ох, и скучное же будет место!