Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Современная космологическая модель включает не только обычное вещество, излучение и холодную[14] темную материю, но и еще одну составляющую – темную энергию. Это так называемая CDM-модель, где греческой буквой лямбда (Λ) обозначают одну из возможных форм темной энергии – космологическую составляющую, а CDM расшифровывается как «холодная темная материя» (Cold Dark Matter). Эта модель была сформулирована в статье Джереми Острайкера и Пола Стейнхарда (Paul Steihardt) в 1995 г., но общепринятой стала после обнаружения ускоренного расширения Вселенной.

За исключением периода в первые десятки тысяч лет в динамике Вселенной доминируют холодное темное вещество и темная энергия – это так называемая ΛCDM-модель Вселенной.

11.6. Ускоренное расширение Вселенной. Темная энергия. Будущее Вселенной

Достаточно давно ученые поняли, что крайне важно измерить с помощью наблюдений, как менялся темп расширения Вселенной (т. е. как эволюционировал масштабный фактор). Для этого нужен надежный способ определения расстояний до далеких объектов, независимый от измерения красного смещения.

Измерение расстояний в космологии – непростая задача. Однако в конце 1970-х – 1980-х гг. появились важные результаты по изучению целого класса астрономических источников, который мог бы помочь решить эту проблему, – это сверхновые типа Ia. С точки зрения наблюдений они характеризуются отсутствием линий водорода и наличием сильных линий кремния в спектре.

Сверхновые типа Ia – это термоядерные взрывы белых карликов, а поскольку в среднем белые карлики взрываются при сходных значениях массы, то такие сверхновые имеют похожие кривые блеска и максимальную светимость[15]. По этой причине такие вспышки называют стандартными свечами. В результате почти двух десятилетий исследований (начиная с работы Юрия Псковского в 1977 г.) астрономы научились по изменению блеска и по спектру определять максимальную светимость сверхновых Ia. Знание светимости в максимуме блеска позволяет из наблюдений получить независимую оценку расстояния до них (а значит, и до галактик, в которых они находятся).

Сверхновые типа Ia – это термоядерные взрывы белых карликов.

На протяжении 1990-х гг. несколько групп ученых работали над использованием сверхновых Ia в космологии в качестве стандартных свечей. В итоге в 1997–1999 гг. были получены результаты, позволившие открыть ускорение расширения Вселенной. Наблюдения показали, что сверхновые на красном смещении больше 0,5 находятся дальше (выглядят слабее), чем это следовало бы из стандартной на тот момент модели, в которой Вселенная все время замедляет свое расширение. Чтобы сверхновые оказались на более далеком расстоянии, необходимо, чтобы Вселенная последние несколько миллиардов лет расширялась все быстрее и быстрее. За эти работы Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), Адам Рис (Adam Riess) и Брайан Шмидт (Brian Schmidt) в 2011 г. получили Нобелевскую премию по физике.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1997–1999 гг. по результатам наблюдений сверхновых типа Ia.

Темп расширения удобно характеризовать тем, как растет масштабный фактор. Напомним, что эта величина характеризует изменения так называемого собственного расстояния в космологии, т. е. физического расстояния между объектами в заданный момент времени. Собственное расстояние между галактиками в данный момент времени, t₁, настолько больше расстояния между ними в какой-то прошлый момент t₂, насколько вырос масштабный фактор: d(t₁)/d(t₂) = a(t₁)/a(t₂), где d – расстояние, а величина a – масштабный фактор. Оказалось, что первые примерно 7 млрд лет своего существования Вселенная (это примерно соответствует z = 0,75) расширялась с замедлением (масштабный фактор рос все медленнее и медленнее), после чего перешла к ускоренному расширению. Сейчас этот результат подтвержден несколькими независимыми методами и поэтому является надежно установленным фактом.

Расширение Вселенной ускоряется последние 6–7 млрд лет.