Pro темную материю

Осенью 1999 года Национальный научно-исследовательский совет инициировал исследование для ответа на вопрос, чего может достичь наука на пересечении астрономии и физики. Члены Совета хотели получить ответы и на другие вопросы: что такое темная материя? что представляет собой природа темной энергии?

Обратите внимание: природа. То есть не что это, а как себя ведет. Астрономам, занимающимся темной энергией, предстояло ответить на вопрос, на который уже приходилось отвечать тем, кто занимался темной материей: как увидеть то, что увидеть невозможно? И им также пришлось расширять свое понимание понятия «видеть». И целью стало не обнаружение темной энергии, а определение темной энергии.

В космологии темной энергией считается вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной ради объяснения ее наблюдаемого расширения, которое ускоряется. Сущность может объясняться по-разному. Фактически вариантов объяснения два. Во-первых, космологическая постоянная, то есть неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной. Получается, что нужно повторно ввести космологическую постоянную Эйнштейна, указывающую на то, что пространство само противодействует гравитации. В таком случае выходит, что темная энергия не меняется в пространстве и времени. Во-вторых, квинтэссенция, то есть динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

По мере того как плотность пространства уменьшилась примерно 5–6 млрд лет назад, темная энергия взяла верх, и расширение Вселенной стало ускоряться. Если энергетическая плотность не меняется, то Вселенная расширяется и плотность материи уменьшается, а влияние темной энергии при этом будет становиться все больше, что в свою очередь приведет к все более быстрому расширению, и в конце нас ждет Большой мороз. Если темная энергия меняется в пространстве и времени, это будет какое-то динамическое поле, ранее неизвестное физике, и оно может или ускорить, или замедлить расширение Вселенной в далеком будущем. Поскольку энергия и масса взаимозаменяемы (вспомним знаменитую формулу Эйнштейна, в соответствии с которой E = mc²), темная энергия может составлять большую часть массы во Вселенной – чуть ли не до 73 %.

Из-за сложностей с определением темной энергии НАСА, Национальный фонд содействия развитию науки и Министерство энергетики США создали специальную группу. Она получила название «Рабочая группа для решения вопроса темной энергии» и представила результаты работы в 2006 году. Фактически члены группы рекомендовали четыре способа исследования природы темной энергии.

Первый способ был связан с дальнейшим изучением сверхновых типа Ia. За последние 30 лет методы и возможности очень сильно изменились. Теперь ученым не нужно проводить все время исследования на высоте около 4000 м, как, например, на спящем гавайском вулкане обсерватории Мауна Кеа, где у их предшественников от разреженного воздуха кружилась голова. Вначале они просто спустились в офисное здание, расположенное на 3300 м ниже, а еще через несколько лет смогли разъехаться по своим кабинетам в Беркли или Кембридже. Например, один ученый из «Фабрики по обнаружению ближних сверхновых» получил серьезную травму, но не пропустил ни одного наблюдения. 30 лет назад он «выпал бы из обоймы» до тех пор, пока снова не смог бы подниматься к телескопам. А теперь с помощью домашнего компьютера можно проводить мониторинг телескопа на тех же Гавайях, одной рукой поглаживая собаку и не вставая с кресла.

Обсерватория Мауна Кеа, ее телескопы установлены на высоте от 3730 м до 4190 м над уровнем моря, на спящем вулкане

«Фабрика по обнаружению ближних сверхновых» создавалась, чтобы ежегодно открывать от 150 до 200 сверхновых, из которых 50–60 относились бы к типу Ia. И это была не единственная подобная фабрика. Например, участники канадско-французско-гавайского проекта «Обзор наследия сверхновых» работали в упомянутой обсерватории Мауна Кеа на Гавайях. Территория обсерватории принадлежит и сдается в аренду Гавайским университетом.

Участники этого проекта за десятилетие открыли порядка 500 сверхновых типа Ia. Группа по поиску сверхновых Астрофизического центра открыла 185 сверхновых. Группа по обзору сверхновых Ликской обсерватории неподалеку от города Сан-Хосе, Калифорния, наблюдала около 800 сверхновых. Участники проекта «Слоуновский цифровой небесный обзор» открыли около 500.

По ряду причин имело значение количество. Например, члены «Фабрики» говорили, что астрономы никогда не смогут узнать истинную яркость сверхновых. Для ведения поисков в 1990-х годах они изобрели методы стандартизации сверхновых. Но чтобы сделать измерения более точными, им требовалось много ближних сверхновых самого разного вида, чтобы это разнообразие обеспечило основу для сравнения с видами дальних сверхновых, которые им может подкинуть природа.