«Мы вошли в XXI век с двумя чемоданами»: российский астрофизик — об эволюции представлений учёных о Вселенной

Самыми важными событиями в астрофизике за последние десятилетия стали доказательство присутствия во Вселенной тёмной энергии, а также открытие гравитационных волн. Тёмная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением и составляет 70% всей Вселенной. При этом науке не известно, чем являются тёмная энергия и материя. Это заставляет учёных задуматься над необходимостью переработки общей теории относительности. Об этом в интервью RT рассказал астрофизик, заслуженный профессор, ответственный по системе космического мониторинга МГУ Владимир Липунов. Учёный также объяснил, почему общая теория относительности допускает самые разные гипотезы космологии Вселенной. Например, в каждой чёрной дыре может происходить рождение новой Вселенной, в которой продолжается существование попавшей в дыру информации и материи.

• Gettyimages.ru
• © NASA

— Владимир Михайлович, недавно орбитальная обсерватория James Webb обнаружила в созвездии Волопаса гигантский пузырь из ионизированной плазмы, который существовал в ранней Вселенной в ту эпоху, когда её материя была почти полностью непрозрачной для света. Как отмечают астрономы, первые галактики Вселенной ещё не должны были успеть ионизировать окружающий их космос на столь большое расстояние. Как можно объяснить это явление и насколько сильно оно противоречит сложившимся научным представлениям об эволюции Вселенной?

— Действительно, недавно телескоп James Webb провёл спектральные исследования некоторых далеких галактик и обнаружил в их спектрах яркие, или, как говорят астрономы, эмиссионные водородные линии. (Эмиссионная линия — узкий участок спектра, где интенсивность излучения усилена. — RT.)

Оказалось, что эти линии не принадлежат исследуемым галактикам, а возникают в межгалактическом пространстве, где, согласно нашим представлениям, в ту далёкую эпоху (примерно 500 млн лет после Большого взрыва) практически всё пространство было заполнено нейтральным газом, не способным излучать эмиссионные линии.

Авторы статьи предположили, что эти горячие пузыри водорода и гелия «надуваются» активными галактиками, в которых идёт бурное звездообразование массивных ультрафиолетовых звёзд. Вот они-то и надувают вокруг себя пузыри плазмы примерно за 200 млн лет. 

Тем не менее пока ещё рано говорить, как именно эти новые данные могут изменить стандартную картину образования галактик во Вселенной.

• 3D-модель космического телескопа Джеймса Уэбба с полностью развёрнутыми компонентами
• NASA

— Ранее другая научная группа также усомнилась в точности современной космологической модели — они измерили «комковатость» тёмной материи Вселенной, значение составило 0,776, что соответствует результатам других исследований эффекта гравитационных линз, которые были получены в ходе изучения ранней Вселенной. Однако оно не совпадает со значением 0,83, которое выведено из модели реликтового излучения. Что это значит?

— В этой работе использовался эффект микролинзирования, который заключается в отклонении лучей далёкого яркого объекта (например, квазара или блазара) по пути к Земле под влиянием какого-то гравитирующего объекта.

Лучи искривляются, подобно тому, как это происходит в линзах: вспомните, как небольшая пупырышка в стекле меняет положение предметов за окном. Космическая «пупырышка», отклоняющая лучи, может быть и обычной галактикой, и сгустком тёмной материи. В последнем случае вы не увидите сам объект, но можно измерить его массу и «рыхлость». И это позволяет найти «клочковатость» тёмной материи, то есть долю её обособленности во Вселенной.

Но как эта клочковатость влияет на теорию эволюции нашей Вселенной? Всё дело в том, что именно тёмная материя, клочки которой «разбегаются» по всем закоулкам Вселенной, является теми самыми центрами неоднородности, вокруг которых собираются галактики.

— Как за последнее время менялись представления учёных о космологии Вселенной?

— Самым важным событием XXI века в астрофизике стало открытие ускоренного расширения Вселенной. Оно было сделано в 1997 году, однако окончательно было подтверждено позднее. В 2011 году за него была вручена Нобелевская премия по физике. Учёные открыли, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Это ускорение вызывается особой космической энергией, так называемой тёмной энергией, которая как бы «расталкивает» Вселенную за счёт эффекта антигравитации.

Хотя ещё с 1930-х годов учёные подозревали о существовании так называемой тёмной материи, её существование было в общих чертах доказано к 1980-м годам. Она составляет порядка 25% всего вещества Вселенной, ещё 5% — это «обычная» барионная материя, протоны и нейтроны, из которых состоит наш материальный мир.

• Изображение аккреционного диска в квазаре ULAS J1120+0641
• © Wikimedia/ESO/M

И тут выяснилось, что есть ещё около 70% неизвестной для нас энергии, которая равномерно заполняет Вселенную и заставляет её расширяться с ускорением.

Другим важнейшим открытием стало открытие гравитационных волн и оптическая локализация их источника. Впервые всплеск гравитационного излучения, вызванный столкновением двух чёрных дыр, был зафиксирован установками LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) в сентябре 2015 года. За это открытие двумя годами позднее была вручена Нобелевская премия.

В 2017 году уже российские оптические телескопы системы «МАСТЕР» зафиксировали оптическую вспышку от столкновения двух нейтронных звёзд. Сначала был уловлен всплеск гравитационных волн, он был зафиксирован американской и европейской обсерваториями. А затем оптическую вспышку засёк наш телескоп «МАСТЕР», расположенный в Аргентине, а также несколько других оптических телескопов, независимых друг от друга.

При столкновении нейтронных звёзд возникает не такая яркая вспышка, как при сверхновой, — такая вспышка называется килоновой. Вот её тогда и зафиксировали независимо друг от друга оптические телескопы, среди которых был и наш МАСТЕР.

Это событие стало одним из величайших достижений оптической астрономии. И именно оптические телескопы позволяют точно определить координаты объекта, вероятность ошибки уменьшается в этом случае в миллиарды раз.

— Расскажите, пожалуйста, как формировались современные научные представления о космологии Вселенной?

— В основном современные представления об эволюции Вселенной были заложены в начале XX века, с выходом работ Альберта Эйнштейна. Именно его общая теория относительности лежит в основе так называемой стандартной модели Вселенной. Сам Эйнштейн выдвинул теорию статической Вселенной, она подверглась критике и была потом практически забыта.

Эйнштейн считал, что Вселенная бесконечна, а материя в ней распределена равномерно. Под действием силы притяжения материя должна была собраться в единую точку. Чтобы объяснить, почему этого не происходит, Эйнштейн ввёл в уравнение неизвестную величину, космологическую константу, которая противостоит гравитации и не даёт материи сжаться. По сути, можно сказать, что тёмную энергию предсказал именно Эйнштейн — он первым предположил существование антигравитации.

• Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью
• © Wikimedia

В 1980-х годах появилась инфляционная модель Вселенной, согласно которой в результате некой флуктуации около 13,5 млрд лет назад Вселенная начала расширяться в объёме по экспоненциальному закону. За планковские отрезки времени (планковское время — минимально возможный отрезок времени. — RT) она увеличилась до немыслимо больших размеров и продолжает увеличиваться.

Это стало возможно благодаря наличию скалярных полей, которые заполоняют Вселенную и проявляются через свойства элементарных частиц — бозонов.

Согласно инфляционной модели, без скалярного поля расширение Вселенной быстро замедлилось бы по мере падения её плотности. Однако скалярное поле вносит свой вклад, и расширение Вселенной продолжается. Она настолько огромна, что мы можем видеть только её ничтожно маленькую часть.

Как я упомянул, переносчиками скалярного поля являются бозоны, один из них был открыт экспериментально на Большом адронном коллайдере — бозон Хиггса.

Сегодня инфляционная модель Вселенной доминирует, её придерживаются ведущие мировые физики-теоретики, включая наших соотечественников, например Алексея Александровича Старобинского.

— А что можно сказать об альтернативных моделях Вселенной? В частности модели отскока, согласно которой Вселенная существует циклически: за стадией расширения следует стадия сжатия, затем всё повторяется. А также модели мультивселенной, сторонники которой считают, что есть множество Вселенных. Получают ли эти гипотезы экспериментальное подтверждение?

— Гипотезе Большого отскока Вселенной уже около 70 лет, эта идея пользовалась популярностью в определённой прослойке физиков-теоретиков, хотя потом победила точка зрения сторонников инфляционной модели. Нужно отметить, что пока альтернативные теории выглядят довольно спекулятивно. Суть идеи в том, что если Вселенная родилась за счёт пульсации скалярного поля, то это событие могло произойти не единожды. Либо оно может повторяться многократно, либо в разных местах — тогда от нашей Вселенной могут отщепляться другие Вселенные. Последнюю идею выдвинул Андрей Линде, один из основателей инфляционной модели Вселенной. Он предполагал, что раз существует много видов скалярных полей, то может существовать и много видов Вселенных, где действуют разные физические законы. Вселенная растёт, флуктуирует и воспроизводит себя в различных формах — можно сравнить эту модель с кактусом, от которого отпочковываются новые побеги. Модель, в которой постоянно идёт процесс зарождения новых Вселенных, называется стационарной моделью. Это довольно интересная попытка учёных уйти от ответа на вопрос о начале и конце Вселенной.

• Изображение неба, сделанное с помощью оптического телескопа МАСТЕР
• © observ.pereplet.ru

Вообще, все гипотезы были выдвинуты ещё в прошлом веке, сейчас наука только перебирает эти старые карты, пытается с ними как-то работать. Мы вошли в XXI век с двумя чемоданами, которые невозможно бросить, но трудно нести: в одном чемодане находится концепция тёмной материи, во втором — тёмной энергии.

Для учёных не очень хорошо, когда 95% всей Вселенной заполнено субстанциями, о которых нам вообще ничего не известно. Поэтому сейчас даже звучат предложения как-то переработать теорию относительности Эйнштейна, чтобы хотя бы объединить и объяснить эти два «чемодана».

— Если мы верно понимаем, то в самом начале во Вселенной были только гелий и водород, и только потом в недрах звёзд начали образовываться более тяжёлые элементы. Продолжается ли эволюция химического состава Вселенной сегодня? Могут ли возникнуть совершенно новые химические элементы?

— Скорее правильно говорить о том, что меняется процентное соотношение стабильных химических элементов во Вселенной. Дело в том, что они рождаются в звёздах, а также при столкновении нейтронных звёзд. Нейтронная звезда — это звезда, состоящая из сверхтекучей ядерной жидкости, где все частицы — барионы (протоны и электроны) — сжаты до чрезвычайно высокой плотности. В нейтронные звёзды превращаются со временем массивные звёзды.

В двойной системе такие звёзды могут закончить свою «жизнь», столкнувшись друг с другом: они сближаются за счёт излучения гравитационных волн, образуя чёрную дыру. Именно такое явление мы с коллегами из других стран смогли зафиксировать летом 2017 года. Для синтеза тяжёлых элементов, таких как золото, например, нужна большая энергия сжатия массивной звезды в чёрную дыру (это явление называется «сверхновая») или столкновение нейтронных звёзд.

А ещё в нашей Вселенной новые элементы сегодня рождаются на ускорителе Объединённого института ядерных исследований. Там учёным удаётся получить совершенно новые элементы, которые сложно встретить в природе.

— Правда ли, что в точке сингулярности — в зоне колоссальной гравитации чёрной дыры — время останавливается? Если да, то почему чёрная дыра всё же продолжает эволюционировать, то есть сначала увеличиваться в размерах, а потом испаряться?

— Чёрная дыра — это объект, предсказанный в рамках общей теории относительности, а потом открытый на практике. Согласно общей теории относительности, характеристики физических явлений зависят от системы отсчёта. Есть, например, любимая физиками лабораторная система отчёта — неподвижная и бесконечно удалённая. Все мы, жители Земли, находимся в лабораторной системе отсчёта. По астрофизическим меркам наша планета движется настолько медленно, что этим показателем можно пренебречь и считать, что Земля неподвижна.

• Элемент Большого адронного коллайдера
• globallookpress.com

Что касается того, что происходит со временем и информацией внутри чёрной дыры, то я обычно рассказываю студентам про бедного телеграфиста, который падает в неё. Он падает, нажимая на свой телеграф с периодичностью в одну секунду. Пока он будет подлетать к чёрной дыре, мы будем получать эти сигналы, но по мере приближения к горизонту событий — границе, из-за которой невозможно возвращение информации и материи, — сигналы будут приходить всё реже: для нас время падения телеграфиста будет замедляться. Наконец промежуток между сигналами будет составлять для нас миллионы лет. Но для самого телеграфиста ход времени останется прежним.

Что же будет дальше происходить с телеграфистом? Падая в чёрную дыру, он, образно говоря, увидит в обратном порядке всё то «кино», о котором говорят авторы теории Большого взрыва: превращение материи в нейтроны, затем расщепление на кварки и глюоны, а потом переход в сверхплотное состояние, подобное тому, какое было в самом начале истории Вселенной.

И тут мы можем вернуться к вопросу о концепции пульсирующей Вселенной — теории Большого отскока. Мы знаем, что нахождение материи в сверхплотном состоянии способно породить Вселенную.

Но у телеграфиста, как и у остальной материи, оказавшейся в чёрной дыре, есть своя мировая линия — это непрерываемый путь объекта в пространстве-времени. Она никогда не начинается и никогда не заканчивается. Поэтому мы не можем исключать, что мировая линия телеграфиста продолжится и выйдет уже в другую Вселенную. Вот вам бесконечная стационарная Вселенная, которая никогда не кончается, телеграфист, который продолжит жить в совершенно другом мире, ничего не подозревая о своей «прошлой» жизни. Эта гипотеза звучит как религиозная концепция в духе буддизма или индуизма или как спекуляция, однако она недалеко ушла от общей теории относительности Эйнштейна.

Источник