Темная энергия: как лауреаты Нобеля по физике открыли нечто не поддающееся объяснению

Исследователи Сол Перлмуттер, Адам Райсс и Брайан Шмидт, получившие во вторник Нобелевскую премию по физике — это  представители двух групп, которые работали в одном и том  же направлении. Калифорнийская группа представлена Солом Перлмуттером, гарвардская — Брайаном Шмидтом и Адамом Райссом.

В чем суть их работы? Астрофизики уже давно понимали, что такие яркие события, как взрывы сверхновых, можно наблюдать в очень далеких галактиках. Свет от этих взрывов может быть зафиксирован детекторами, и следовательно, они могут быть использованы для определения расстояний до далеких галактик. Принцип измерения расстояния основан на том факте, что чем дальше источник света, тем меньше света попадает на детектор (его роль выполняет так называемая ПЗС-матрица).

В космологической теории существуют разные представления о том, как ведут себя расстояния по мере того, как мы заглядываем все дальше и дальше. Дело в том, что в расширяющейся Вселенной расстояния, очевидно, меняются со временем. Закон расширения зависит от плотности вещества во Вселенной, и эта связь описывается уравнениями Эйнштейна. В свое время Эйнштейн предположил, что, для того чтобы Вселенная была стационарной (не расширялась и не сжималась), в уравнениях, описывающих ее состояние, должен существовать так называемый лямбда-член, который уравновешивает гравитацию. В отсутствие такого слагаемого уравнения предсказывают либо расширение, либо сжатие Вселенной.

Однако сначала теоретически Фридманом (на основе уравнений Эйнштейна), а затем уже путем наблюдений Хаблом было открыто расширение Вселенной (так называемое Хабловское расширение Вселенной), суть которого в том, что чем дальше галактика, тем с большей скоростью она убегает от нас. Это проявляется в том, что чем дальше галактика, которую мы наблюдаем, тем более красным является ее свечение (вообще смещение в красную часть спектра говорит о том, что тело удаляется). После чего в 1930-х годах Эйнштейн сказал, что введение лямбда-члена, который делал Вселенную неподвижной, было его самой большой ошибкой.

Можно сказать, что произошедшее сейчас (точнее, в 1998 году, когда Перлмуттер, Райсс и Шмидт сделали свое открытие) — это своеобразное воскрешение упущенного лямбда-члена, который был вычеркнут из более поздних уравнений, так как расширение Вселенной прекрасно описывалось и без этой поправки. То есть сейчас мы фактически вернулись к тому, что Эйнштейн ввел в начале прошлого века. Это так называемое свойство расталкивания.

Нобелевские лауреаты открыли это свойство, когда занимались измерением расстояний до очень далеких сверхновых. Когда они получили первые результаты, они им сначала даже не поверили. Потребовалась огромная работа, чтобы исключить роль разных ошибок измерений. Но благодаря тому, что работали две независимые группы, они подтвердили результаты друг друга.

Основной результат их исследований в том, что сверхновые на очень больших расстояниях как будто меняются и становятся менее мощными. Это как если бы лампы уличных фонарей становились менее мощными с увеличением расстояния до них — рядом с нами 100-ваттные, а дальше 90-, 80-, 70-ваттные и т. д. Но такого не может быть. Поэтому авторы исследований допустили, что Вселенная просто ведет себя иначе и расстояния до этих галактик значительно больше, чем предполагалось. Иными словами, Вселенная расширяется с ускорением. И это ускоренное расширение Вселенной началось примерно 4-5 млрд лет тому назад.

Что означает этот установленный факт? А то, что прежнее представление о Вселенной, основанное на допущении, что видимого вещества вполне достаточно, чтобы объяснить все разнообразие окружающего нас мира, оказалось неправильным. На самом деле должна существовать некая субстанция, которую сейчас именуют темной энергией. Эта субстанция обладает свойством «расталкивания пространства», что делает расширение Вселенной все более ускоряющимся. В отличие от обычного вещества, темная энергия не обладает гравитацией, а напротив, скорее антигравитацией. Ей свойственна сила расталкивания, а не притяжения.

Вот в этом и состоит суть открытия: мы получили косвенное доказательство существования во Вселенной темной энергии. В принципе я ожидал, что когда-нибудь за это открытие присудят премию. И вот этот час настал. Открытие действительно очень важное. Проблема в том, что открыли мы нечто, природу чего не можем до конца понять. Хотя то, что Вселенная расширяется с ускорением, уже незыблемый факт.

Автор — заведующий отделом нестационарных звезд и звездной спектроскопии Института астрономии РАН