Глава 13. Загадка тёмной энергии

Ночь 150. Мягкий толчок

На 150-й день полёта станции предстояло немного подняться над Землёй. Это называется коррекцией орбиты, и она проводится время от времени. На высоте около 400 километров воздуха почти нет, но всё же не совсем нет. Очень слабый след атмосферы доходит и туда. Каждую секунду станция сталкивается с огромным множеством этих редко рассеянных частиц воздуха, и вместе они чуть-чуть её тормозят. За недели и месяцы станция медленно опускается ниже. Поэтому время от времени включаются её двигатели и поднимают её обратно.

Нур этот факт тихо удивлял. Даже здесь, высоко над облаками и погодой, станция не была полностью свободна от земного воздуха. Без этих маленьких толчков станция с годами опускалась бы всё ниже и ниже, воздух вокруг неё становился бы всё плотнее, и в конце концов она спустилась бы в плотный воздух внизу. Так что коррекция орбиты — это своего рода плановое обслуживание, как проверка шин у машины или смазка двери. На Земле этого никто не видит, но благодаря этому всё работает.

Коррекцию орбиты спланировали команды на Земле, а двигателями управляли оттуда и компьютеры станции. Работа экипажа состояла в подготовке. Нур и Томас прошли по модулям и проверили, что нигде не плавает ничего незакреплённого, что могло бы сдвинуться от небольшого изменения скорости. Инструменты убрали. Камеры закрепили. Эксперимент, измеряющий крошечные движения, приостановили. Нур подтянула ремни на сумке с одеждой, которую уже несколько дней собиралась разобрать.

Когда двигатели включились, никакого рёва не было. Был только мягкий, ровный толчок. Нур держалась за поручень у иллюминатора и почувствовала через него лёгкое подёргивание, когда станция вокруг неё двинулась вперёд. Ручка, которую кто-то забыл, медленно поплыла к задней части модуля. Томас поймал её, не глядя, как он ловит почти всё. Через несколько минут двигатели остановились, и всё снова парило, как прежде. Станция теперь была чуть выше и могла оставаться наверху дольше.

Через несколько минут спокойный голос с Земли подтвердил, что коррекция орбиты прошла по плану. Томас записал время в журнал, а Нур и Аде снова прошли по модулям, одно за другим отменяя утренние приготовления. Приостановленный эксперимент запустили снова. Камеры открепили. К обеду станция выглядела точно так же, как прежде, только была чуть выше над облаками.

Вечером Нур рассказала Сами о коррекции орбиты. Он каждую ночь работает с машинами и сразу всё понял. «Значит, это как грузовик на подъёме, — написал он. — Перестанешь давить на педаль — сбросишь скорость». Потом он спросил о другом: «А Вселенная тоже замедляется? Если после Большого взрыва всё разлетелось, разве оно уже не должно замедляться?»

Нур улыбнулась экрану. Бо́льшую часть XX века астрономы задавали точно такой же вопрос и ожидали такого же ответа. История этой ночи — о том, что они нашли вместо этого. Это одна из самых больших неожиданностей в истории астрономии, и она до сих пор остаётся загадкой.

В ожидании замедления

Представьте, что вы подбрасываете мяч прямо вверх. Пока он поднимается, земное притяжение тянет его, и он замедляется. Если бросить его несильно, он замедлится, остановится и упадёт вам в руку. Если бы вы могли бросить его чрезвычайно сильно, он, возможно, совсем улетел бы от Земли, но всё равно замедлялся бы на всём пути, потому что тяготение никогда не перестаёт тянуть.

Много лет астрономы думали о расширяющейся Вселенной похожим образом. После горячего начала галактики разбегаются, потому что пространство растягивается. Но всё вещество во Вселенной притягивает всё остальное вещество тяготением. Поэтому казалось естественным думать, что это притяжение постепенно тормозит расширение. Единственным вопросом казалось, насколько сильно это торможение. Замедлится ли расширение настолько, что однажды остановится и повернёт вспять? Или будет замедляться вечно, так и не останавливаясь совсем?

Теория тяготения Альберта Эйнштейна, которую он завершил в 1915 году, допускала для Вселенной, полной вещества, несколько разных вариантов будущего. В 1922 году Александр Фридман рассчитал некоторые из этих возможностей на бумаге. В одном виде Вселенной расширение замедляется, а потом сменяется сжатием, и всё снова падает друг на друга. В другом виде расширение замедляется, но никогда не прекращается. В какой из них мы живём, должно было зависеть от того, сколько во Вселенной вещества. Десятилетиями измерение этого количества и замедления расширения было одной из главных задач астрономии.

Чтобы ответить на этот вопрос, астрономам нужно было сравнить расширение сейчас с расширением давным-давно. Вспомните, что смотреть далеко — значит смотреть назад во времени. Если можно измерить, с какой скоростью очень далёкие галактики удалялись, когда их свет отправился в путь, и сравнить это с близкими галактиками, можно увидеть, изменилось ли расширение. Это немного похоже на то, как проверить скорость машины по старой записи и сравнить её с сегодняшней.

Трудность состояла в измерении расстояний до чрезвычайно далёких галактик. Пульсирующие звёзды, которые изучала Генриетта Ливитт, ярки, но недостаточно, чтобы их было видно на самых больших расстояниях. Астрономам был нужен гораздо более яркий вид светильника, истинная яркость которого была бы известна. Они нашли его в особом виде взрывающихся звёзд.

Взрывающиеся звёзды как измерительные лампы

Некоторые взрывающиеся звёзды начинают как белые карлики — маленькие плотные остатки звёзд вроде Солнца, с которыми мы познакомились в одну из прошлых ночей. Когда у белого карлика есть близкая звезда-партнёр, он может постепенно перетягивать с неё вещество. Когда он становится слишком тяжёлым, он взрывается очень ярко и довольно единообразно. Взрывы такого рода каждый раз достигают почти одной и той же наибольшей яркости, а астрономы научились поправлять небольшие различия между ними. Это сделало их полезными измерительными лампами, которые видны через миллиарды световых лет.

Метод просто описать, хотя работа очень трудна. Если вы знаете, насколько ярок светильник на самом деле, то по тому, насколько тусклым он кажется, можно сказать, как он далеко. Уличный фонарь в конце длинной дороги выглядит тусклым не потому, что он слабый, а потому, что он далеко. Точно так же тусклый взрыв звезды такого рода должен быть очень далёким.

В 1990-е годы две отдельные команды астрономов взялись использовать эти взрывы, чтобы измерить замедление расширения. Эта работа требовала терпения. В любой отдельной галактике такие взрывы редки, поэтому командам приходилось наблюдать огромное число галактик, ловить взрывы, пока они яркие, а потом тщательно измерять их на больших телескопах. Многие люди работали долгими ночами, сравнивали записи и спорили о каждом шаге.

В 1998 году обе команды сообщили один и тот же результат. Далёкие взрывы оказались тусклее, чем ожидалось. Это значило, что они дальше, чем должны были бы быть, если бы расширение замедлялось. Лучшее объяснение было противоположно тому, чего ожидали почти все. Расширение Вселенной не замедлялось. Последние несколько миллиардов лет оно ускоряется.

Результат был таким убедительным потому, что его получили две отдельные команды. Команды работали независимо, пользовались собственными телескопами и собственными способами проверки и по-дружески соревновались, кто будет первым. Если бы ускорение нашла только одна команда, другие учёные могли бы заподозрить ошибку в её работе. Когда обе команды нашли один и тот же удивительный ответ, отмахнуться от результата стало гораздо труднее. В науке, как и на многих рабочих местах, результат, к которому две тщательные группы пришли по отдельности, ценится выше, чем результат, который видела только одна группа.

Многие учёные поначалу сомневались. Может быть, свет приглушала пыль? Может быть, давние взрывы были немного другими? Эти вопросы снова и снова проверяли в последующие годы. Другие виды измерений, включая подробные карты самого древнего света и того, как галактики распределены в пространстве, с тех пор указали в том же направлении. Ускорение расширения теперь — широко признанная часть картины.

Полная картина, вышедшая из этой работы, состоит из двух частей. Первые несколько миллиардов лет после горячего начала расширение действительно замедлялось, как и ожидали астрономы, потому что вещество было упаковано плотнее и его тяготение было сильным. Но по мере того как пространство растягивалось и вещество становилось разреженнее, его торможение ослабевало. Несколько миллиардов лет назад неизвестный толчок, которому мы сейчас дадим имя, стал сильнее торможения вещества, и расширение начало ускоряться. Так что астрономы XX века не ошибались насчёт тяготения. Им лишь не хватало второй, неожиданной части истории.

Как дать загадке имя

Если расширение ускоряется, что-то должно это вызывать. Учёные не знают, что это. Но всё равно дали ему имя: тёмная энергия. «Тёмной» её называют потому, что она не светится и её нельзя увидеть напрямую, а «энергией» — потому, что она, по-видимому, действует на всю Вселенную. Но название — это ярлык на пустой коробке. Оно говорит нам, что там что-то есть, но не говорит, что именно.

По нынешним измерениям, всё содержимое Вселенной можно примерно разделить так. Обычное вещество, из которого состоят звёзды, планеты, газ и люди, — всего около 5 процентов. Тёмная материя, с которой мы познакомились в одну из прошлых ночей, — около 27 процентов. Тёмная энергия — около 68 процентов. Иными словами, всё, что мы когда-либо видели в свои телескопы, — лишь малая часть того, что содержит Вселенная. Остальное известно только по его действию.

Возможно, поможет представить это в виде семейного бюджета. Вообразите, что вы изучаете свои расходы за месяц и обнаруживаете, что только пять частей из каждой сотни уходят на то, что вы можете назвать: жильё, еду, поездки. Около двадцати семи частей уходят на что-то, действие чего вы ощущаете, но чего не видно ни в одном чеке. А около шестидесяти восьми частей уходят на нечто ещё более странное, что, похоже, каждый месяц делает весь бюджет больше. Вам очень захотелось бы разобраться в этих двух скрытых статьях. В таком положении астрономы находятся сегодня.

Одна из возможностей — тёмная энергия является свойством самого пустого пространства. Если даже совершенно пустое пространство содержит немного энергии, то, когда пространство растягивается, пустого пространства становится больше, а вместе с ним и этой энергии. Эта энергия подталкивала бы расширение. Интересно, что эта идея возвращает член, который Альберт Эйнштейн добавил в свои уравнения в 1917 году, когда хотел описать неподвижную Вселенную. Позже, когда было открыто расширение, он от этого члена отказался. Сегодня тот же член возвращается в новой роли — не чтобы удержать Вселенную неподвижной, а чтобы описать её ускорение.

Но это не единственная возможность. Некоторые учёные думают, что тёмная энергия может меняться со временем. Другие задаются вопросом, не нужно ли изменить нашу теорию тяготения, когда речь идёт о самых больших расстояниях. Сейчас согласованного ответа нет. Большие новые обзоры неба измеряют положения и расстояния огромного числа галактик, чтобы точнее увидеть, как менялось расширение со временем. Эти измерения однажды, возможно, покажут, какие идеи на верном пути.

Два измерения, которые не сходятся

Есть и другой открытый вопрос, связанный с расширением, над которым астрономы работают сегодня. Он касается того, как быстро Вселенная расширяется прямо сейчас. Измерить это можно разными способами. Один способ — измерить расстояния и скорости близких галактик с помощью пульсирующих звёзд и взрывающихся звёзд, как в работах, которые мы описали. Другой способ — начать с подробной карты самого древнего света и рассчитать с помощью нашей лучшей теории Вселенной, насколько быстрым должно быть расширение сегодня.

Оба метода тщательны, и оба много раз проверены. И всё же они дают немного разные ответы. Разница не огромная, но она больше, чем ожидаемые погрешности измерений. Это немного похоже на то, как два аккуратных работника измеряют одну и ту же комнату двумя разными инструментами и получают результаты, которые расходятся на небольшую, но упорную величину. Каждый работник проверяет свой инструмент, и каждый инструмент, похоже, в порядке.

Никто пока не знает, почему ответы расходятся. Может быть, в одном из методов скрыта небольшая ошибка, которую никто не нашёл. Может быть, в нашей теории Вселенной чего-то не хватает, например чего-то, связанного с тёмной энергией или с ранней Вселенной. Учёные проверяют обе возможности с помощью новых телескопов и новых методов. Это честный пример того, как работает наука: когда два хороших измерения не сходятся, учёные не выбирают то, которое им больше нравится. Они продолжают измерять, пока не поймут.

В этом вопросе помогают новые телескопы. Космический телескоп «Джеймс Уэбб», который видит инфракрасный свет, может смотреть сквозь пыль и различать отдельные пульсирующие звёзды в галактиках яснее, чем могли прежние телескопы. Астрономы используют его и другие телескопы, чтобы шаг за шагом проверить измерения близких расстояний. Тем временем другие команды уточняют расчёты, основанные на самом древнем свете. За каждым новым результатом внимательно следят, потому что ясный ответ, каким бы он ни оказался, научил бы нас чему-то важному.

Для работающего человека в этом есть что-то знакомое. У многих из нас бывала на работе проблема, которая никак не уходила: число, которое не сходилось, или машина, которая иногда останавливалась без ясной причины. Решение часто приходит медленно, через терпеливые проверки. Вселенную тоже понимают по одной терпеливой проверке за раз.

Перед сном

Поздно вечером Нур подплыла к иллюминатору. В тот день станция поднялась чуть выше, но изнутри всё выглядело как прежде. Земля поворачивалась внизу, а звёзды светили над краем воздуха. Где-то за этими звёздами галактики каждый год разбегаются чуть быстрее, подталкиваемые тем, чего никто никогда не видел.

Она написала Сами: «Ты правильно спросил. Астрономы ожидали, что Вселенная замедляется, как твой грузовик на подъёме без педали. Но когда они измерили, то обнаружили противоположное. Расширение ускоряется. Причину называют тёмной энергией, но никто не знает, что это. Так что сегодня твой вопрос — один из самых больших вопросов науки».

Перед сном она подумала о том, как странно работать на станции, которую нужно подталкивать, чтобы она оставалась на месте, внутри Вселенной, которую, похоже, расталкивает наружу нечто, чего никто не понимает. Медленное опускание станции и ускорение Вселенной были замечены одним и тем же способом — людьми, которые внимательно смотрели на числа и видели, что что-то не сходится.

В три часа ночи Сами прочитал это в кабине своего грузовика. «Значит, Вселенная давит на педаль, — ответил он, — и никто не знает, чья это нога». Нур прочитала его ответ, когда проснулась, и подумала, что это совсем неплохое описание.

Возможно, утешительно знать, что даже у людей, которые всю свою трудовую жизнь изучают Вселенную, нет ответов на всё. Если что-то в вашей собственной жизни сегодня вечером всё ещё не ясно, вы в очень хорошей компании. На некоторые вопросы отвечают быстро. Другим нужны терпение, тщательная работа и время.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что тёмная энергия и тёмная материя — одно и то же, потому что в обоих названиях есть слово «тёмная». На самом деле они очень различны. Тёмная материя стягивает всё вместе. Её тяготение удерживает галактики и скопления галактик и помогло им образоваться. Тёмная энергия, по-видимому, делает противоположное: она подталкивает расширение Вселенной, заставляя его идти быстрее. Обе называют «тёмными», потому что мы не можем увидеть их напрямую, и обе до сих пор не поняты. Но это две отдельные загадки.

Многие также думают, что тёмная энергия — это вид энергии, которую можно было бы собрать и использовать, как энергию в батарейке или в солнечном свете. Так кажется из-за её названия. Но тёмная энергия, что бы она собой ни представляла, чрезвычайно тонко рассеяна в пространстве. В объёме комнаты или даже всей Земли её почти не было бы. Её действие становится важным только на огромных расстояниях между группами галактик. Это не источник энергии для машин, и никто не знает, как её можно было бы использовать хотя бы в принципе.

Наконец, некоторые думают, что учёные уже знают, как закончится Вселенная, — например, что она разорвёт сама себя, замёрзнет или снова сожмётся. Возможно, вы читали такие идеи, поданные как факты. На самом деле далёкое будущее зависит от природы тёмной энергии, а её природу мы пока не знаем. Если она останется такой, какой кажется сейчас, расширение будет продолжать ускоряться, и далёкие галактики постепенно уйдут из поля зрения. Но если тёмная энергия меняется, будущее может оказаться другим. В следующую ночь, во время тихой вахты, мы отправимся к самым краям того, что знаем, и спросим, что лежит за ними.