Освещая темную Вселенную Чарльз Сэйфе

Предисловие автора перевода:
Статья обозревателя авторитетного популярного американского журнала "Сайенс" ("Наука"), вероятно, с натяжкой может быть названа произведением художественной прозы. Однако ее значимось и выразительность изложения побудили меня сделать ее доступной для российского читателя. Автор статьи описывает открытие, по-видимому, ставшее одним из крупнейших научных открытий минувшего года. Местами он излагает суть открытия в общепринятых астрофизических терминах, местами волнение и желание обрисовать суть происходящего более красочно и выпукло заставляют его переходить к образной художественной речи. Вероятно, происходит нечто такое, что вызовет в ближайшее время крупные мировоззренческие сдвиги в общественном сознании.
Статья опубликована: Charles Seife. Illuminating the Dark Universe -
Science, 2003, Vol.302, P.2038.
Полная версия статьи - на сайте
www.sciencemag.org/content/vol302/issue5653/#special/

ОСВЕЩАЯ  ТЕМНУЮ  ВСЕЛЕННУЮ

     Одинокий спутник, медленно вращающийся в пустоте, смог уловить самую суть Вселенной. В феврале Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) отснял изображение космоса в его младенчестве, в процессе творения всего сущего, когда ему было менее 400000 лет. Ярко окрашенная картина совершила переворот в космологии. Вместе с результатами других наблюдений этого года, она ставит точку в длившемся десятилетия споре о природе Вселенной и подтверждает, что наш космос гораздо, гораздо более странен, чем мы когда-нибудь воображали.
     Пять лет назад, на обложке Сайенс был изображен Альберт Эйнштейн, шокированный  научным Прорывом Года – 1998: ускоряющейся Вселенной. Две команды астрономов видели слабый отпечаток призрачной силы в предсмертном хрипе умирающих звезд. Наблюдаемая яркость сверхновой звезды определенного типа дала космологам метод измерения расширения Вселенной в различные времена ее истории. Ученые были удивлены, найдя, что Вселенная со временем расширяется  быстрей, а не медленней, как в том убеждали астрофизиков общая теория относительности и здравый смысл. Это было первым признаком таинственной «темной энергии», неизвестной силы, которая противодействует эффектам гравитации и разбрасывает галактики прочь друг от друга.
     Хотя данные о сверхновой были вызывающими, многие космологи выжидали, прежде чем принять странную идею о темной энергии. Команды астрономов по всему миру спешили проверить существование этой не прекращающей свое действие силы независимыми методами. Поиски закончились в этом году. Ученые больше не пытались подтвердить существование темной энергии; теперь они пытались найти, из чего она состоит, и что она говорит нам о рождении и эволюции Вселенной.
     Сковывающие инициативу исследователей сомнения в существовании темной энергии и составе Вселенной исчезли, когда спутник WMAP получил наиболее детальную картину реликтового космического радиоизлучения (CMB). CMB является наиболее древним светом во Вселенной, это – излучение, которое вышло из только что рожденной Вселенной, когда она была еще излучающей сферой плазмы. Слабое микроволновое сияние окружает нас подобно удаленной стене огня. Записанное на стене – тонкие флуктуации температуры (и других параметров) древнего света – выявляет, из чего сделана Вселенная.
     Задолго до того, как появились звезды и  галактики, Вселенная состояла из горячей пылающей плазмы, которая бурлила под действием конкурирующих сил гравитации и давления света. Большой Взрыв сформировал весь космос, звенящий подобно колоколу, и волны давления проходили через плазму, сжимаясь, расширяясь и сжимая облака материи. Горячие пятна в фоновом излучении являются образами сжатой плотной плазмы в охлаждающейся Вселенной, а холодные пятна являются проявлениями разреженных областей газа.
     В точности как тон колокола зависит от формы и материала, из которого он сделан, так и «звук» ранней Вселенной – относительные обилия и размеры горячих и холодных пятен в микроволновом фоновом излучении – зависят от состава Вселенной и от ее формы. WMAP является инструментом, который наконец позволил ученым услышать небесную музыку и сообразить, какого рода инструментом является наш космос.
     Ответ является одновременно будоражащим воображение и благоприятным. Данные WMAP подтвердили невероятно странную  картину Вселенной, которую выявляли другие наблюдения. Вселенная только на 4% состоит из обычной материи, из которой сделаны звезды, деревья, люди. Двадцать три процента – экзотическая материя: темная масса, которая, как полагают астрофизики, состоит из еще не детектированных частиц. А остальные 73% - темная энергия.
     Тон космического колокола также выявляет возраст космоса и скорость, с которой он расширяется. Год назад космолог, вероятно, сказал бы, что Вселенная имеет возраст между 12 и 15 миллиардами лет. Сейчас оценка – 13.7 миллиардов лет, плюс-минус  несколько сотен тысяч лет. Подобные подсчеты, основанные на данных WMAP, зафиксировали также скорость расширения Вселенной – 71 км/с на мегапарсек, плюс-минус несколько сотен – и форму Вселенной, плоский сланец. Все споры последних нескольких десятилетий об основных свойствах Вселенной – ее возрасте, ее скорости расширения, ее плотности -  были решены одним броском.
     Как бы ни был важен WMAP,  его вклад в решение проблемы истории Вселенной космологами был  не единственным. Sloan Digital Sky Survey (SDSS) картографировал миллион галактик. Анализируя распределение этих галактик, характер их группировки и расширения, ученые смогли представить себе силы, которые вызывают эти группировку и расширение, – будь то гравитационное притяжение темной материи или антигравитационное отталкивание темной энергии. В октябре 2003 г. команда SDSS обнародовала результат анализа первой порции в четверть миллиона галактик, которые она наблюдала. Она пришла к тому же заключению, что выдвинула группа WMAP –  во Вселенной доминирует темная энергия.
     В этом году ученые получили наиболее прямую картину темной энергии в действии. В июле физики совместили данные о группировке галактик, полученные с помощью SDSS, с микроволновыми данными WMAP и оказалось, – с учетом всех возможных ошибок, – что темная энергия должна существовать. Доказательство основывается на явлении, известном как интегральный эффект Сакса-Вольфа. Реликтовое микроволновое излучение, действующее, как отраженный свет, просвечивает сквозь гравитационную рябь, вызванную кластерами галактик, на которые был наведен  SDSS. Ученые увидели размытую толчею – видимую, как небольшой сдвиг к более коротким длинам волн  радиоволн, прошедших возле этих гравитационных ям. В неискривленной Вселенной, такой как наша, это может произойти, только если существует некоторая антигравитационная сила – темная энергия, – растягивающая ткань пространства-времени и подавляющая рябь, в которой находятся скопления галактик.
     Некоторая работа в космологии может быть развернута в направлении лучшего понимания сил, которые формировали Вселенную, когда она была в состоянии с возрастом в миллисекунду. После того, как Вселенная возникла из космической сингулярности, материя новорожденной Вселенной расширялась со скоростью, большей скорости света. Это была эра инфляции, и тот всплеск роста – и его резкий конец за промежуток менее 10-30 секунд – сформировал нынешнюю Вселенную.
     В течение десятилетий представление об инфляции - расширении Вселенной -давало несколько доступных проверке гипотез. Сейчас исключительная точность данных WMAP, наконец, позволила ученым непосредственно проверить инфляцию. Каждая выдвигающаяся версия инфляции предлагает свой, несколько отличный от других, сценарий относительно точной природы движущей силы инфляции, и каждый содержит определенное предсказание относительно CMB - реликтового радиоизлучения, распределения галактик и даже группировки газовых облаков в более поздней Вселенной. Ученые только начинают просеивать пригоршню теорий и проверять – принять или отвергнуть –  некоторые гипотезы. И, так как набор данных SDSS растет, давая информацию об удаленных квазарах и газовых облаках, а также о распределении галактик, ученые будут проверять теории инфляции с большей придирчивостью.
     Свойства темной энергии сейчас также проходят критическое рассмотрение. WMAP, SDSS, новый набор наблюдений сверхновых звезд, опубликованный в этом году, начинают давать ученым ориентировку в характере реакции темной энергии на растяжение или сжатие. Физики должны уже отбросить некоторые свои предположения о темной энергии. Сейчас они должны рассмотреть форму темной энергии, которая могла бы заставить всю материю во Вселенной умереть насильственной и внезапной смертью. Если темная энергия превысит критическое значение, то она в конечном итоге разорвет на клочки галактики, звездные системы, планеты и даже сами атомы в «большом разрыве». (Не беспокойтесь, космологи не потеряли сон, думая о возможных последствиях).
     За последние 5 лет, космологи проверили, действительно ли ставящая в тупик, противо-интуитивная модель Вселенной, состоящей из темной  материи и раздуваемой темной энергией, может быть правильной.  В этом году, благодаря данным WMAP, SDSS и последних наблюдений сверхновых звезд, они знают, что ответ есть «да», и они начинают задавать новые вопросы. Возможно, это признак того, что ученые в конечном итоге начнут понимать начало.