Pro темную материю

К осени 1997 года у двух групп было достаточно данных, чтобы попытаться найти, по крайней мере, предварительный ответ на вопрос, как сильно замедляется расширение Вселенной и к чему идет Вселенная – Большому хлопку или Большому морозу.

Группа под руководством Сола Перлмуттера заявила, что на основе изучения семи сверхновых типа Ia можно сделать вывод о том, что Вселенная плоская и она не будет вечно расширяться, но и не сожмется в конце концов. Правда, ученые заметили, что это лишь предварительный результат.

Герсон Голдхабер, германо-американский астрофизик (1924–2010)

Что астрономы, физики и астрофизики понимают под словом «плоский»? Когда говорят, что Вселенная плоская, не имеется в виду, что она плоская, как лист бумаги. Речь идет о свойстве трехмерной плоскостности – евклидовой геометрии в трех измерениях. В астрономии евклидов мир является удобной сравнительной моделью окружающего пространства. Материя в таком мире распределена однородно, то есть в единице объема содержится одинаковое количество материи, и она изотропна, то есть распределение материи одинаково по всем направлениям. Кроме того, материя там не эволюционирует (например, не загораются радиоисточники и не вспыхивают сверхновые), а пространство описывается простейшей геометрией. Но ведь сверхновые-то появлялись! То есть получается, что модель плоской Вселенной не соответствует результатам наблюдений. Материя вокруг нас распределена неоднородно и анизотропно (где-то есть звезды и галактики, а где-то их нет), скопления материи эволюционируют, то есть меняются со временем, а пространство, как известно из экспериментально подтвержденной теории относительности, искривлено. Но ученые все равно говорят о плоской Вселенной. Это происходит, потому что в космологии Вселенная рассматривается как целый объект. И как целый объект она обладает определенными свойствами. Например, начиная с некоторых очень больших линейных масштабов (здесь можно рассматривать и 60 мегапарсек, то есть 180 млн световых лет, и 150 Мпк), материя во Вселенной распределена однородно и изотропно. На меньших масштабах наблюдаются скопления и сверхскопления галактик и пустоты между ними, которые называются войдами, то есть однородность нарушена.

Запись в блокноте Адама Рисса, 1997

Герсон Голдхабер из группы Перлмуттера решил составить таблицу из 38 сверхновых, открытых группой из Беркли за время ее работы, основываясь на яркости и красном смещении. Он поместил их в колонки, соответствующие количеству материи, которая требовалась Вселенной (на основании данных по этой сверхновой) для того, чтобы расширение остановилось: от 0 до 20 % необходимой плотности массы, от 20 до 40 % и так далее, до 100 %. Две получившиеся большие колонки (в одной было 10 сверхновых, в другой – 9) показали, что во Вселенной не то что недостаточно материи для остановки расширения, а она находится в минусе! Голдхабер получил отрицательные значения от 0 до минус 40 %. Кто бы мог такое подумать?

Адам Рисс в другой группе работал над статистическим подходом к проблеме. Его задачей было собрать имевшиеся данные по сверхновым на тот момент: все результаты спектроскопии и фотометрии, все вычеты галактик, все кривые блеска, все допуски ошибок – и разработать программное обеспечение, которое поможет сравнить эти данные с миллионами различных моделей Вселенной. Некоторые из этих моделей покажутся просто абсурдными. Но одна из этих Вселенных должна будет соответствовать собранным данным.

Что и произошло. Такая модель нашлась. В ней было недостаточно материи, чтобы замедлить расширение. Мало этого – плотность массы составляла минус 36 %, то есть получалась отрицательной. Это была Вселенная без материи. Эта была несуществующая Вселенная. То есть, можно сказать, что данные двух групп, работавших над вопросом расширения Вселенной, дали один и тот же результат.

Обе группы работали, основываясь на предположении, что Вселенная полна материи и только материи. Конечно, они знали, что часть ее темная, но скрытая масса по сути должна была быть материей. Поэтому ученые предполагали, что только материя будет влиять на расширение Вселенной. Однако если отказаться от этих предположений, результаты, которые, как раньше казалось, смысла не имеют, теперь приобретали смысл. Если во Вселенной на расширение влияет что-то другое (а не материя), во Вселенной, которая состоит из чего-то еще, а не только материи, это что-то объясняет пусть не все, а многое! Изучив данные еще раз, обе группы пришли к выводу, что материя составляет 20 %, или 30 %, или 40 % Вселенной. Но таким образом оставалось 60 %, или 70 %, или 80 % чего-то еще…

Что касается судьбы Вселенной, ученые пришли к выводу, что она будет расширяться вечно. Теперь требовалось решать другой вопрос: с темной материей и новой силой, которую они пока не могли представить.

Алан Гут