Темная сторона Вселенной

Черные дыры, темные материи, темная энергия — эти величайшие загадки современной космологии неразрывно связаны с теорией относительности. Они до сих пор будоражат умы исследователей.

Томас де Падова (Thomas de Padova)

На протяжении почти целого века общая теория относительности не дает покоя науке. Чтобы ее проверить, строятся обсерватории, отправляются спутники в космос. Например, в следующем году при помощи французского мини-спутника Microscope с большой долей точности будет проведен анализ свободного падения двух тел, выполненных из различных металлов. Будут ли оба металлических цилиндра двигаться одинаково в поле земного притяжения? Или же теорию Эйнштейна нужно пересмотреть?



До сих пор она подтверждалась при всех проводимых когда-либо экспериментах. С другой стороны, она является «солитером» среди физических теорий. В отличие от прочих описаний физических сил, общая теория относительности является одновременно теорией пространства и времени.

От гравитации не уйти

Пространство и время не являются жестко закрепленной сценой происходящего. Масштабы пространства и времени меняются рядом с массивными небесными телами. Только гравитационное поле определяет «метрические свойства четырехмерного измерительного пространства», отмечал Эйнштейн. Поскольку гравитация воздействует в равной степени на разные материи и, в отличие от электрических и магнитных сил, не может быть исключена, ее можно в целом интерпретировать как искажение пространства и времени. Эйнштейн сравнил это искаженное временное пространство с натянутым платком, в котором каждое небесное тело создает углубление, которое движется вместе с ним, в то время как он впадает в сферу воздействия других углублений.

Его абсолютно новое понимание гравитации внесло свой вклад в развитие современной космологии. Важнейшие вопросы физики, о которых постоянно идут профессиональные дискуссии, неразрывно с ней связаны. Что происходит на подступах к черным дырам? Как возникла Вселенная? Откуда происходит темная энергия, которая все быстрее разгоняет галактики? Из чего состоит темная материя, которую, хотя и нельзя увидеть, но которая заметна из-за ее гравитационного эффекта в космосе?

Теория Эйнштейна и ее недостатки

Эйнштейн ничего не знал о темной материи, темной энергии или черных дырах. Когда он закончил свой эпохальный труд и представил его 25 ноября 1915 года Прусской академии наук в Берлине, он даже не знал о существовании других галактик по ту сторону Млечного пути, не говоря уже о расширении Вселенной. Крупные астрономические открытия ХХ века были еще впереди. Тем удивительнее то, как он открыл для космологии, исходя из немногих, скорее интуитивных физических предположений, абсолютно новые перспективы.

Общей теории относительности исполнился ровно один год, когда он сам обнаружил ее недостатки. Эйнштейн пытался описать Вселенную как целое. Кроме того, он модифицировал свою теорию и добавил дополнительный член к уравнениям поля — «космологическую константу». Она должна была определить, что Вселенная не расширяется и не коллабрирует.

Равномерно распределенные звезды

Представления Эйнштейна о построении космоса основывались на простой мысли — Вселенная выглядит в любом направлении одинаково. Типичная для него позиция. С данными астрономов она совпадала лишь частично. Поскольку тот, кто посмотрит ясной ночью на небо, увидит в одном месте лишь несколько звезд, в другом — целое море звезд, но прежде всего Млечный путь. Можно подумать, будто все звезды сконцентрированы на Млечном пути, а за его пределами находится пустое пространство.

Эйнштейн провел анализ. По его мнению, теория тяготения Ньютона говорила о том, что у мира есть середина, где сосредоточены звезды, в то время как за ее пределами плотность звезд снижается и кончается бесконечной пустотой. Но это придавало бы пустому пространству значение, что противоречило теории Эйнштейна.

Кроме того, такая расстановка не могла бы продолжаться длительное время. Звезды покинули бы остров и исчезли бы в бесконечности, не возвращаясь назад. Одна звезда за другой в гравитационной игре небесных тел покинула бы центр, а Мировой остров постепенно опустел бы.

У космоса нет середины

Астрономические наблюдения не давали указаний на это. Эйнштейн предполагал, что звезды могут быть равномерно распределены в пространстве. «Сколько ни путешествуй по космосу, повсюду найдется скопление звезд схожего вида и одинаковой плотности». Другими словами, человек не находится в центре космоса, потому что такого центра вообще нет. Такова основная идея современной космологии.

Чтобы соединить его представления с моделью мира, Эйнштейн предположил, что имеющаяся материя временного пространства так сильно искажается, что образует шар. Такая Вселенная замыкается на себе и является бесконечной.

В феврале 1917 года Эйнштейн представил Берлинской академии свои «Космологические наблюдения», в которых он описал Вселенную, в том числе как неизменяемую во временном отношении. Но к собственному недоумению он вынужден был констатировать, что его представленные в ноябре 1915 года исследования не допускали статичную Вселенную. Эйнштейн решился доработать свои исследования, над которыми он работал восемь лет, добавив в них космологическую константу.

Величайшая ошибка Эйнштейна

Дополнительная составляющая имеет большое значение. «Она показывает, что Эйнштейн в 1915 году, в отличие от того, что он писал, нашел еще не все соотношения, сопоставимые с его требованиями», — отмечает эксперт Юрген Ренн, директор Института Макса Планка в Берлине. С математической точки зрения введение космологической константы было оправдано. Но Эйнштейн поставил ее на чашу весов, чтобы уравновесить космический баланс таким образом, чтобы Вселенная не расширялась и не сжималась. Но он упустил из вида тот факт, что подобный баланс был нестабилен.

Хотя он назвал позднее введение константы величайшей ошибкой, она все же вновь появляется в современной космологии. Она переживает ренессанс — после того, как было доказано, что Вселенная не только расширяется, но это расширение проходит еще и с ускорением. С начала 21 века стали появляться указания на то, что более двух третей плотности энергии Вселенной производится загадочной силой давления, космологической константой. Но какая неизвестная темная энергия приводит в движение расширение космоса? Некоторые исследователи полагают, что за ней скрывается энергия вакуума, которая происходит из постоянных квантово-физических процессов.

Спустя пять лет доказано отклонение света

Общая теория относительности выводит на поверхность ряд вопросов. Вместе с тем, она помогает ученым прийти к неожиданным выводам относительно структуры космоса. Примером может служить прежнее предсказание Эйнштейна о том, что свет от далеких звезд искривляется вокруг солнца. Оно сделало его известным во всем мире в ноябре 1919 года, после того как британские астрономы доказали это отклонение света в полном солнечном затмении. «Весь свет в небе — искривленный», с таким заголовком вышел выпуск New York Times, в котором речь шла о революции в науке.

Галактики и скопления галактик объединяют свет еще более эффективно, чем солнце. Они действуют схожим образом, как линзы телескопа. Первое указание на это гравитационный линзовый эффект есть еще в записях Эйнштейна. Он в 1912 году изучал этот оптический феномен в геометрических набросках. Его расчеты убедили его в том, что линзовый эффект средствами того времени увидеть нельзя. Но в 1936 году он представил свои изыскания. К публикации его подтолкнул инженер Руди В. Мандль.

Обрадовались этому прежде всего британские астрономы, которые в 1979 году обратили внимание на странную пару «близнецов» в созвездии Большой Медведицы. Два практически одинаковых источника света рядом друг с другом. Вокруг одного и того же объекта, квазара, активного ядра галактики. Вскоре после этого стало понятно, с чем был связана эта пара. Между квазаром и Землей находилась галактика с малым количеством света, которая было ранее незаметна. Она направляла исходящие от квазара лучи различными путями в глаза земного наблюдателя.

Когда свет достигает Земли различными путями, астрономы видят один и тот же объект как удвоенный, утроенный или — в зависимости от продолжительности света, в разное время. Так, группа астрономов во главе с Патриком Келли из Калифорнийского университета в Беркли год назад при помощи телескопа «Хаббл» сначала увидела четыре изображения редкого взрыва звезд в далекой галактике. Изображения этой сверхновой звезды были отброшены гравитационной линзой в созвездие Льва на ночное небо.

Линза показывает взрыв звезды, словно в замедленной съемке

Линза дает астрономам, вероятно, больше изображений взрыва звезды. Согласно подсчетам, начало сверхновой звезды под определенным углом можно будет увидеть только в начале 2016 года. Исследователи тогда смогут детально ее изучить.

Подобные взгляды в космические события весьма эффектны. Не менее завораживают сами гравитационные линзы. Способ и вид отклонения света многое говорит о сконцентрированной в линзах материи. Астрономы таким образом могут доказать и наличие темной материи в космосе, которая также соответствует законам теории гравитации Эйнштейна и отводит лучи света от курса.

Пример тому — кластер в созвездии Карина. Он возник в результате столкновения двух скоплений галактик. Между ними светится сжатый газ. Несмотря на это, оба скопления галактик при столкновении практически без повреждений проникли друг в друга. Это особенно касается темной материи. В кластере, по всей видимости, больше массы в форме темной материи, чем объединяют в себе видимые звезды и газовые облака. По состоянию на сегодняшний день, темная материя дает в пять раз больше энергетической плотности, чем все известные нам формы материи.

Объединение общей теории относительности с квантовой физикой только предстоит

Из чего она состоит? Исследователи гадают до сегодняшнего дня о ее составе. Удастся ли физикам при помощи Большого адронного коллайдера доказать наличие гипотетических элементарных частиц темной материи? Пока исследователи в своих лабораториях не нашли доказательств того, что же представляет собой темная сторона Вселенной. Что скрывается за темной энергией? Существует ли физический процесс, который сможет однажды остановить коллапс звезд в черных дырах?

Пока такие вопросы остаются без ответа, объединение общей теории относительности с квантовой физикой остается делом будущего. Хотя поиск всемирной формулы продолжается. Если речь идет только об аспектах гравитации, теория Эйнштейна, как и прежде, предоставляет собой надежные рамки для современной космологии. Спустя 100 лет после открытия гения она остается одной из лучших подтвержденных теорий. И все еще представляет собой основу для многих неожиданных открытий.

Источник перевода: http://inosmi.ru/