Невирішені досі проблеми з темною матерією, темною енергією та розширенням космічного простору змушують деяких астрономів переосмислювати те, що ми знаємо про ранній Всесвіті.
Низка переконливих спостережних результатів дала змогу зрозуміти, що наш Всесвіт розширився протягом мільярдів років, виходячи з гарячого, щільного стану, який ми називаємо Великим Вибухом. Протягом останніх декількох десятиліть нові точні вимірювання дозволили науковцям уважно вивчити та уточнити цей висновок, а також уможливили докладніше реконструювати історію нашого всесвіту. Коли ми порівнюємо результати вимірювань, виконаних ріжними методами, — швидкість розширення Всесвіту, температурні неоднорідності випромінювання, що виникло при утворенні перших атомів, кількість ріжних хімічних елементів, а також розподіл галактик та інших масштабних структур — ми знаходимо приголомшливу відповідність. Кожен із цих доказів підтверджує висновок про те, що наш всесвіт розширювався та розвивався саме так, як прогнозує теорія Великого Вибуху. З цього погляду Всесвіт видається надзвичайно зрозумілим.
Але космологи намагалися, щоправда досі невдало, зрозуміти суттєві аспекти Всесвіту. Ми майже нічого не знаємо про темну матерію і темну енергію, які разом складають понад 95 відсотків усієї енергії, яка існує тепер. Ми не розуміємо, як протони, електрони та нейтрони змогли «вижити» з огляду на теорію Великого Вибуху. Насправді всі відомі нам закони фізики вказують на те, що ці частинки мали б давно взаємно знищитися з частинками антиматерії. А для того, щоб зрозуміти Всесвіт, який ми спостерігаємо, космологи змушені зробити висновок, що космос в його найдавніший момент існування мусив пережити короткий і разючий період надшвидкого розширення — подію, відому як космічна інфляція. Однак ми майже нічого не знаємо про цю важливу епоху космічної історії.
Скупчення галактик в сузір’ї Волосся Вероніки містить тисячі галактик в ділянці розміром понад 20 мільйонів світлових років. Фріц Цвіккі виявив темну матерію в цьому скупченні в 1930-х роках, коли встановив, що галактики рухаються занадто швидко. Щоб бути разом, скупчення мало б містити майже в 10 разів більше речовини, ніж та, що проявляє себе через спостереження. Фото з сайту https://astronomy.com.
Можливо, ці головоломки трохи складніші, ніж просто нез’ясовані питання, але кожна з них буде вирішена у процесі досліджень нашого всесвіту. Але поки що ці проблеми виявилися надзвичайно непоступливими та стійкими. З метою виявлення окремих частинок, що складають темну матерію, науковці розробили і виконали низку разючих експериментів, але поки таких частинок не знайшли. Навіть такі потужні прискорювачі частинок, як Великий адронний колайдер, не виявили нічого, що наближає нас до розв’язання будь-якої з цих космічних таємниць. І не зважаючи на те, що вдалося докладніше з’ясувати історію розширення та масштабну структуру Всесвіту, ми не здобули істотно більшого розуміння природи темної енергії, сили, яка, здається, прискорює розширення космічного простору.
Саме тому деякі космологи запитують самі себе, чи можуть ці космічні таємниці бути симптомами чогось більш значущого, ніж декілька нез’ясованих питань. Можливо, ці головоломки не такі споріднені, як здається, а натомість сумарно спрямовують нас на зовсім іншу картину нашого всесвіту та його найдавніших етапів розвитку.
Що ми дізналися, не виявивши темної матерії
Темна матерія — це, мабуть, найвідоміша проблема, з якою стикаються сучасні космологи. Астрономи визначили, що більша частина матерії у нашому всесвіті складається не з атомів чи будь-яких інших відомих частинок, а з чогось іншого — чогось такого, що явно не випромінює, не відбиває і не поглинає світло.
Незважаючи на те, що відомостей про природу темної матерії мало, космологи часто розмірковують про види частинок, які можуть бути її носієм. Зокрема, дослідники давно визнали: якщо частинки темної матерії мають взаємодію, яка така ж сильна, як слабка взаємодія (яка регулює радіоактивний розпад), то кількість цих частинок, «народжених» після Великого Вибуху, приблизно збігається з визначеною кількістю темної матерії, знайденої нині у Всесвіті. Зважаючи на це, масивні частинки, які слабко взаємодіють, — WIMPи (weakly interacting massive particles) — стали найкращим кандидатом в носії темної матерії.
Хоча темна матерія в скупченнях галактик зазвичай «супроводжує» звичайну речовину, що випромінює світло, ZwCl 0024 + 1652 особливе. Це масивне скупчення має кільце з темної матерії (синього кольору), що охоплює 2,6 мільйона світлових років, яке, головно, відокремлене від видимих галактик і газу. Фото з сайту https://astronomy.com.
Науковці вважали, що вони знають, як виявити WIMPи та вивчити їх властивості. Мотивовані цією метою, фізики взяли участь у грандіозній експериментальній програмі, щоб визначити ці частинки та дізнатися, як вони виникли після Великого Вибуху. Протягом останніх декількох десятиліть вчені встановлювали все більш чутливі детектори темної матерії в глибоких підземних лабораторіях, що здатні виявляти окремі зіткнення між частинкою темної матерії та атомами речовини, яка відіграє роль мішені.
Ці витончені експерименти виконані прекрасно, навіть краще, ніж сподівалися дослідники. Однак таких зіткнень не спостерігали. Десять років тому багато вчених були впевнені, що ці експерименти принесуть свої плоди. Але темна матерія виявилася зовсім особливою і набагато більш невловимою, ніж ми колись уявляли.
Хоча носієм темної матерії все ще можуть бути WIMPи, відсутність будь-якого сигналу від підземних експериментів змусило багатьох фізиків перенести свою увагу на інших кандидатів у темну матерію. Одним з таких претендентів є гіпотетична надлегка частинка, відома як аксіон. Існування аксіонів передбачає теорія, яку запропонували фізики в галузі елементарних частинок Роберто Печчі (Roberto Peccei) та Гелен Квін (Helen Quinn) у 1977 р. Хоча вчені шукають аксіони в експериментах, які використовують потужні магнітні поля для перетворення цих частинок у фотони, такі дослідження ще не мають дуже жорстких обмежень щодо властивостей аксіонів.
Надскупчення Abell 901/902 містить сотні галактик і величезну кількість темної речовини. Пурпурово-забарвлені ділянки показують розподіл темної матерії, визначений за даними спостережень Космічного телескопа імені Габбла, суміщений із зображенням над скупчення, отриманим наземним телескопом у Європейській південній обсерваторії. Фото з сайту https://astronomy.com.
Ще одне припущення, яке могло б пояснити, чому темну матерію так важко виявити, — це те, що перші миттєвості Всесвіту могли бути суттєво іншими, ніж нині уявляють космологи. Візьмемо випадок із звичайними WIMP-ами. Розрахунки показують, що Всесвіт, який виник, мав створити величезну кількість цих частинок протягом першої мільйонної секунди або близько того після Великого Вибуху, коли вони досягли стану рівноваги з кварками, глюонами та іншими субатомними частинками. Кількість WIMPів, які могли пережити ці умови — і, зрештою, утворили темну матерію, що є у Всесвіті нині, — залежить від того, як саме і як часто вони взаємодіяли. Але виконуючи такі обчислення, науковці, зазвичай, припускають, що простір постійно розширювався протягом перших часток секунди без будь-яких несподіваних подій чи переходів. Цілком правдоподібно, що цього просто не було.
Хоча космологи знають дуже багато про те, як наш всесвіт розширювався та розвивався протягом більшої частини своєї історії, вони знають порівняно мало про перші секунди після Великого Вибуху — і майже нічого про першу трильйонну частку секунди. Якщо йдеться про те, як міг розвиватися Всесвіт, чи про події, що мали місце в ці найдавніші моменти, у нас по суті немає прямих спостережень, на які можна опиратися. Ця епоха невидима, її закривають непрохідні шари енергії, відстані та часу.
Наше розуміння цього періоду космічної історії багато в чому трохи більше, ніж усвідомлена здогадка, заснована на припущеннях та екстраполяції. Подивіться досить далеко назад у часі й ви побачите — майже все, що ми знаємо про наш всесвіт, могло бути іншим. Матерія та енергія існували в інших формах, ніж сьогодні, і на них, можливо, діяли сили, які ще не виявлені. Можливо, відбулися важливі події та переходи, які науці ще належить висвітлити. Матерія, ймовірно, взаємодіяла таким чином, як ніколи потім, а сам простір і час могли поводитись інакше, ніж в ті часи, про які ми знаємо.
Спіральна галактика NGC 3972 є сходинкою в «драбині», тобто шкалі, космічних відстаней . У галактиці містяться десятки змінних зір — цефеїд, які астрономи використовують для вимірювання відстаней до відносно близьких галактик, а в 2011 році виявлено наднову типу Ia, вибух білого карлика, який є важливою ланкою для встановлення відстаней до віддалених галактик. Науковцям потрібні обидва маркери, щоб з’ясувати значення сталої Габбла. Фото з сайту https://astronomy.com.
Зважаючи на це, багато хто з космологів став розглядати можливість того, що наша неспроможність виявити носія темної матерії, може говорити нам не тільки про природу власне темної матерії, але і про епоху, в якій вона була створена. Вивчаючи темну матерію, науковці дізнаються про перші моменти після Великого Вибуху.
Як швидко розширюється простір?
У 1929 році Едвін Габбл виявив, що галактики віддаляються від нас зі швидкістю, що пропорційна їх відстані. Це дало перші чіткі докази того, що наш всесвіт розширюється. Відтоді нинішня швидкість цього розширення — стала Габбла — є одним із важливих параметрів Всесвіту, який вивчають космологи.
Справедливо сказати, що сталу Габбла вимірювати важко. Первісні визначення, виконані Габблом, містили помилки, які призвели до того, що він переоцінив коефіцієнт розширення (стала Габбла є коефіцієнтом у законі Габбла–Леметра — Ред.) в 7 разів. Ще недавно в 1990-х роках підручники часто подавали її значення в межах від мінімальних 50 до максимальних 100 кілометрів на секунду на кожен мільйон парсек віддалення двох точок у просторі — зазвичай це записують як 50—100 км/с/Мпк. (Один мегапарсек [Мпк] дорівнює 3,26 мільйони світлових років.) Хоча точність цих вимірювань значно покращилася за останні два десятиліття, поки немає єдиної думки щодо правильного значення для цієї величини. Насправді, коли ці вимірювання покращилися, результати різних методів, здається, ще більше не узгоджуються між собою.
Нейтринна обсерваторія IceCube міститься під шаром льоду на Південному полюсі, полюючи на космічні нейтрино. Деякі з цих субатомних частинок можуть виникнути при розпаді масивних частинок, які слабко взаємодіють (weakly interacting massive particles), — головного кандидата в носії темної матерії — хоча жодної досі не було виявлено. Фото з сайту https://astronomy.com.
Один із способів визначити сталу Габбла — це прямо виміряти, як об’єкти, що швидко рухаються, віддаляються від нас, тобто так, як це робив Габбл у 1929 році. Для своїх вимірювань Габбл використовував спеціальний клас змінних зір, відомий як цефеїди. Їхній блиск чітко вказує на періоди, протягом яких вони світять сильніше чи слабкіше. Сучасні космологи також обчислюють значення сталої Габбла за відстанями, визначеними методом цефеїд, але вони також використовують інші класи об’єктів, зокрема наднові типу Ia — вибухи білих карликів, які мають приблизно однакову світність. Коли дослідники поєднують дані вимірювань, отримані останнім часом, вони виявляють, що Всесвіт нині розширюється зі швидкістю приблизно від 72 до 76 км/с/Мпк.
Але це ще не кінець історії. Космологи також можуть визначити значення сталої Габбла, вивчаючи первісне світло, що виникло, коли приблизно через 380 000 років після Великого Вибуху утворилися перші атоми. Докладні температурні особливості цього світла — відомого як космічний мікрохвильовий фон (cosmic microwave background) — складають мапу, що показує, як в той час у Всесвіті була розподілена речовина.
Після уважного аналізу ця мапа розкрила багато подробиць про наш молодий всесвіт, зокрема те, скільки речовини та інших форм енергії було в ньому тоді, а також про те, як швидко розширювався простір. Це також говорить нам, що значення сталої Габбла становить близько 67 км/с/Мпк — значно менше того значення, яке космологи виявили завдяки більш прямим вимірюванням.
Галактики Антени (NGC 4038 та NGC 4039) — це дві спіральні галактики, що взаємодіють. Вони розташовані на відстані 65 мільйонів світлових років від Землі. Вміщуючи багато змінних зір цефеїд, а також наднові типу Ia, ця пара галактик є однією з декількох систем, які мають обидва типи стандартних свічок і таким чином дають змогу астрономам встановити співвідношення між ними. Фото з сайту https://astronomy.com.
Що означає ця невідповідність для нашого всесвіту? Якщо припустити, що ці дослідження правильно врахували всі систематичні невизначеності, притаманні спостереженням, ці два способи визначення сталої Габбла виявляються несумісними — принаймні в контексті стандартної космологічної моделі. Щоб зробити їх взаємно відповідними, астрономи мають змінити уявлення про розширення і розвиток космосу, або переглянути форми матерії та енергії у Всесвіті протягом перших кількох сотень тисяч років після Великого Вибуху.
Згідно із загальною теорією відносності Айнштайна, швидкість розширення простору залежить від густини речовини та інших форм енергії, які він містить. Коли космологи виводять значення сталої Габбла з космічного мікрохвильового фону, вони мусять робити припущення щодо кількості темної матерії, нейтрино та інших речовин, які були присутні в ранньому Всесвіті.
Мабуть, найпростішим способом пояснити розбіжність між значеннями сталої Габбла, визначеної ріжними методами, була б гіпотеза, що космос містив протягом перших сотень тисяч років після Великого Вибуху більше енергії, ніж нині вважають науковці. Ця енергія могла мати форму світла екзотичної природи чи частинок, що слабко взаємодіють, або якоїсь темної енергії, пов’язаної з вакуумом космосу, який давно розсіявся у Всесвіті. А може, є щось інше, чого ми не розуміємо про цю епоху космічної історії. Ми просто ще не знаємо, як розгадати цю інтригу-таємницю.
Синій колір, доданий до цього зображення, відображає розподіл темної матерії в скупченні галактики Ель Гордо (El Gordo galaxy cluster). Астрономи простежили наявність цієї матерії, спостерігаючи, як вона спотворює вигляд більш віддалених об’єктів. Фото з сайту https://astronomy.com.
Чи настане революція?
Як я вже говорив раніше, можливо, що різні головоломки, з якими нині стикаються космологи, є трохи більшими, ніж декілька нез’ясованих питань, які науковці розкриють у наступні роки за допомогою нових експериментів та спостережень. Але останнім часом здається, що більше ми вивчаємо Всесвіт, то менше ми його розуміємо. Незважаючи на десятиліття зусиль, природа темної матерії залишається невідомою, а проблема темної енергії здається майже невирішуваною. Ми не знаємо, як частинкам, що складають атоми у нашому всесвіті, вдалося пережити перші моменти Великого Вибуху. Ми все ще мало знаємо про космічну інфляцію, як вона почалася чи як вона закінчилася — якщо припустити, що щось на кшталт інфляції було взагалі.
Саме в цьому сенсі я розмірковую про те, чи можуть ці таємниці означати щось більше, ніж кілька відкритих і не пов’язаних між собою питань. Можливо, вони говорять нам про те, що найдавніші моменти нашого всесвіту значно відрізнялися від того, що ми собі уявляємо. Можливо, ці проблеми є початком революції для космології.
Іноді мені цікаво, чи можемо ми опинитися в ситуації наукової історії, подібній до тієї, яку природознавці пережили в 1904 році. Тоді фізика здавалася такою довершеною, як ніколи раніше. Понад два століття принципи ньютонівської фізики успішно застосовували для вирішення проблеми. І хоча фізики розширили свої знання в таких сферах, як електрика, магнетизм і тепло, ці особливості світу насправді не так відрізняються від тих, які Ньютон описав сотні років раніше. Фізикам 1904 року світ здавався добре зрозумілим. Причин чекати революції майже не було.
Зонд «Планк» Європейського космічного агентства зібрав найкращі дані про космічне мікрохвильове випромінювання. Поєднуючи ці результати зі стандартною моделлю, що описує Всесвіт, визначають сталу Габбла, значення якої не набагато, але однозначно менше, ніж те, яке отримано на підставі спостережень сусідніх галактик. Фото з сайту https://astronomy.com.
Станом на 1904 рік, подібно до ситуації, з якою сьогодні стикаються космологи, фізики ще не змогли вирішити декілька проблем. Середовище, через яке поширюється світло, як на той час вони вважали, — ефір — мало б спричиняти зміни швидкості світла, і все ж світло завжди рухається через простір з однаковою швидкістю. Астрономи спостерігали, що орбіта Меркурія трохи відрізняється від прогнозованої фізикою Ньютона. Це явище окремі науковці пояснювали тим, що невідома планета поблизу Сонця, яка отримала назву Вулкан, може збурювати орбіту Меркурія.
Фізики в 1904 р. не мали уявлення про те, що є джерелом енергії Сонця — жоден відомий хімічний чи механічний процес не міг би генерувати стільки енергії протягом такого тривалого часу. Нарешті, вчені знали різні хімічні елементи, що випромінювали та поглинали світло із специфічними особливостями, і фізики не мали найменшого уявлення, як це пояснити. Іншими словами, властивості атомів були тоді цілковитою загадкою.
Тоді мало хто усвідомлював, хоча пізніше це стало очевидним, що ці проблеми були вісниками революції у фізиці. І в 1905 р. вона почалася — її розпочав молодий Альберт Айнштайн і його нова теорія відносності. Зараз ми знаємо, що ефіру, як середовища для поширення світла, не існує і немає планети Вулкан. Натомість ці фікції були симптомами основного недоліку ньютонівської фізики. Відносність прекрасно вирішила і пояснила кожну з цих загадок без потреби в нових речовинах чи планетах.
Крім того, коли науковці поєднали відносність з новою теорією квантової фізики, стало можливим пояснити тривале існування Сонця, а також внутрішню «роботу» атомів. Ці нові теорії навіть відчинили двері для нових і раніше немислимих напрямків дослідження, зокрема й саму космологію.
Наукові революції можуть глибоко змінити наше бачення і розуміння довкілля. Але радикальні зміни завжди було не так просто виявити. Напевно, неможливо сказати, чи є таємниці, з якими стикаються нині космологи, ознаками неминучої наукової революції чи лише останніми невирішеними питаннями неймовірно успішного наукового зусилля.
Немає сумніву, що ми досягли неймовірних успіхів у розумінні Всесвіту, його історії та його походження. Але також незаперечно, що ми дуже невпевнені, особливо коли йдеться про найдавніші моменти космічної історії. Я не сумніваюся, що ці моменти зберігають неймовірні таємниці і, можливо, ключі до нової наукової революції. Але наш всесвіт старанно зберігає свої секрети. Нам належить вивідати їх в нього, перетворивши їх з таємниць на відкриття.
Автор: Деніел Гупер (Dan Hooper), космолог і фізик в галузі елементарних частинок. Його галузь наукових інтересів — темна матерія, космічні промені та нейтринна астрофізика. Працює в Національній прискорювальній лабораторії імені Енріко Фермі та доцентом (астрономія і астрофізика) в Чиказькому університеті.
Переклад за публікацією на сайті https://astronomy.com виконав Іван Крячко
