парадокс ферми

ускоряющаяся Вселенная – история открытия

ускоряющаяся Вселенная – история открытия
История, о которой я сегодня поведаю, станет для тебя примером того, как ошибочны наши знания о мире. Буквально несколько десятилетий назад человечество было глубоко уверено в царствовании материи во Вселенной, в ненадобности космологической постоянной и в том факте, что мироздание расширяется замедленно, сопротивляясь гравитационному воздействию. Мы были уверены в том, что вакуум – ни что иное, как вакуум в его фантастическом популярном представлении и что миру придет конец из-за Большого сжатия. Как же мы ошибались! Сегодня будет история, а уже следующая статья станет посвящена популярному изложению идей ускоренного расширения Вселенной.
Главным признаком того, что пространство не статично, выступило красное смещение галактик. Еще в 1886 году английским астрономом Уильямом Хаггинсом было обнаружено, что длины волн космических тел сдвинуты в сравнении с земными спектрами тех же элементов. В 1912-1913 годах американец Весто Слайфер с помощью телескопа и спектрографа наблюдал за двадцатью пятью галактиками – результаты о проделанной работе были опубликованы в 1917 году. Данные демонстрировали расхождения в направлении удаления галактик – четыре туманности приближались к нам, остальные – убегали. Галактика Андромеды, по подсчетам Слайфера, приближалась к нам со скоростью около 300 км/с. К 1924 году были опубликованы данные еще 16 «туманностей»: все они удалялись от нас со скоростями в пределах 150-1800 км/с, что в десятки раз превышает ранее рассчитанные скорости движения тел внутри Млечного Пути – научное сообщество начало поговаривать об «островных вселенных».
Тут-то и вступает в игру Эдвин Хаббл – ученый, работавший с рефлектором в Маунт-Вилсон. На протяжении года он наблюдал цефеиды в M31 – переменные звезды, период изменения блеска которых связан с абсолютной светимостью, что дает им звание прародителей «стандартных свечей». Конечно, данные, полученные астрономом, имели огромную погрешность – расстояние до Андромеды составляло 285 килопарсек вместо 800 истинных, а также вычисленный диаметр Млечного Пути, равный 100 килопарсекам вместо 30-35 кпк. Из того, что Андромеда находится дальше периферии нашей галактики, следовало, что это – отдельная космическая структура, похожая на МП. Сам Эдвин Хаббл называл эти тела «внегалактическими туманностями» вместо галактик.

кратко о расширении Вселенной

кратко о расширении Вселенной
ученый энрико ферми
В 1927 году бельгийским ученым Жоржем Леметром была предложена модель, включающая в себя и космологическую постоянную, и расширение, и флуктуации поля. На тот момент популярными моделями вселенной выступали эйнштейновская, фридмановская, де-ситтерская, но поистине революционной можно считать именно леметровскую. Первичное состояние вселенной Леметра описывается как статичное, сменяющееся флуктуацией, ставшей началом расширения пространства. Ее положительная кривизна уменьшается с ходом увеличения радиуса, а замедленное расширение сменяется ускоренным за счет космологической постоянной. Красное смещение, по мнению ученого, является следствием расширения пространства – волна света просто растягивается во время перелета от источника к наблюдателю. Сборная солянка из разных космологических моделей получила признание и прославила священника. Как я писал в июле 2020 года, Жорж Леметр также предположил, что Вселенная образована из точки посредством флуктуации (праобраз Большого Взрыва), а в 1933 году он связал энергию вакуума и космологическую постоянную, к чему наука придет только через полвека.
уравнение фрэнка дрейка
1980-е и 1990-е ознаменованы эпохой исследований в области строения Вселенной – повесткой дня были новые гипотезы гравитации, правки в теорию горячей темной материи, наблюдения за реликтовым фоном, построение структуры Вселенной. Мироздание, по мнению светлейших умов тех лет, состояло из вещества и излучения, гравитационное воздействие которого заставляло расширяться Вселенную с отрицательным ускорением. Уже укрепившаяся как в узких кругах, так и в научпоп и нон-фикшн идея о первичной частице, породившей инфляционное расширение и появление Мира (Большой Взрыв) гласила о том, что энергия расширения взята из инфлатонного поля, которое впоследствии сменилось «вакуумом» и дало толчок к расширению, которое без подпитки постепенно теряло свою скорость. Задачей космологов, занимавшихся динамикой процесса эволюции Вселенной, являлся сбор данных, подтверждающих замедление скорости расширения. Сейчас я поведаю о забавной ситуации, в которой герои опровергли то, что сами хотели доказать.

ускоренное расширение Вселенной

ускоренное расширение Вселенной
космическая одиссея 2001
1992 год – выпускника Массачусетского Технологического Института (MIT) Адама Рисса приглашают в аспирантуру по программе астрономии, где он знакомится с Брайаном Шмидтом и Солом Перлмуттером – людьми, которые разделят с ним открытие ускоренного расширения Вселенной. В 1993 году профессор Киршнер и Брайан Шмидт занимались измерением расстояний до коллапсирующих сверхновых. Роберт Киршнер поделился с Риссом о новой работе Марка Филлипса, предложившего в качестве «стандартных свечей» использовать сверхновые типа Ia, которые взрываются одинаково и при этом имеют самую большую яркость среди сверхновых, что делает их идеальным «мерилом» расстояний во Вселенной.
советский футуризм
«Когда я заканчивал MIT, профессор Роберт Киршнер, бывший тогда заведующим кафедрой астрономии в Гарвардском университете, позвонил мне и сказал, что меня принимают в аспирантуру по программе астрономии … Поскольку астрономическое отделение было рядом, он сказал, что T-жетон на метро выслан мне почтой. Я проехал две остановки по красной ветке, затем меня встретил и проводил аспирант Брайан Шмидт. Позже я многому научился у него, но тогда мы просто обсуждали аспирантскую жизнь. Я решил пойти в Гарвардский университет для получения кандидатской степени по астрономии. В астрономии я ничего не знал, но в глубине желал получше ее изучить»
космические станции будущего
Систематическим поиском стандартных свечей начали заниматься во второй половине восьмидесятых: Британо-Данийская коллаборация работала на полутораметровом рефлекторе в Ла-Силла, Чили. За два года наблюдений удалось обнаружить пару интересных сверхновых, одна из которых – SN1988U имела смещение z = 0,31. Позже, под руководством Перлмуттера в 1988 году была создана группа SCP – «Supernova Cosmology Project», которая ориентировалась в Беркли (Berkeley National Laboratory LBNL, USA). Их задачей был поиск сверхновых типа Ia на космологических расстояниях с целью сбора данных и подтверждения замедленного расширения Вселенной. Команда использовала 4-метровый телескоп и ПЗС-камеру для наблюдений.

Для определения достоверности того, что свечи способны точно измерять расстояния, была создана группа, которая занималась измерением кривых блеска сверхновых данного типа – масштабная наблюдательная кампания Calan/Tololo Survey. Год спустя Адам Рисс связался с Солом Перлмуттером и тот рассказал о возможной далекой сверхновой, которая обнаружила его группа. Также он добавил, что связь красного смещения и расстояния до сверхновой позволит определить скорость расширения Вселенной, поэтому Рисс измерил смещение, а также прикинул, сколько нужно сверхновых для определения торможения расширения Вселенной – его оценка составила в районе 20 штук. Брайан Шмидт предложил объединить группу Калан/Тололо с гарвардской, чтобы составить конкуренцию Supernova Cosmology Project под руководством Сола Перлмуттера– так появилась High-Z Team, которой с 1996 года руководил Брайан Шмидт. К 1995 году SCP обнаружила уже 7 сверхновых со смещением z > 0,4, а у High-Z Team – всего одна.
мунк ницше
«В то лето после защиты кандидатской диссертации я стал размышлять, насколько точно можно измерить замедление расширения, придерживаясь различных стратегий. Что лучше: трижды измерить восемь сверхновых или шесть раз – четыре. Я провел моделирование методом Монте-Карло, в ходе которого компьютер повторил эксперимент несколько тысяч раз, и пришел к выводу, что лучшим решением будет провести шестикратное измерение четырех сверхновых, т.е. в решении этой проблемы важнее качество, а не количество. Той весной нам также очень повезло с наземными наблюдениями, и мы открыли восемь новых SN Ia вплоть до z = 0,62»
В 1996 году группа SCP заявила, что по данным 7 сверхновых Вселенная должна замедленно расширяться, а затем перейти в состояние сжатия под действием гравитации. Группа High-Z Team наоборот сделала вывод, что Вселенная расширяется не настолько замедленно, насколько планировалось. А Рисс, вычисляя темп расширения Вселенной, вовсе пришел к выводу, что Вселенная расширяется ускоренно:
космическая одиссея 2001
«Зная, как тормозилось расширение, можно было оценить плотность вещества во Вселенной. Чем больше во Вселенной вещества, тем сильнее его гравитационное притяжение тормозит расширение. Но то, что я сначала измерил и записал в своей лабораторной тетради осенью 1997 года, было поистине удивительным! Единственный способ описать полученные мной изменения скорости расширения Вселенной – допустить, что масса вещества может быть отрицательной. Другими словами, несмотря на уравнения, Вселенная вовсе не тормозилась, а, наоборот, расширялась с ускорением! Я не рассматривал никаких других сил, кроме гравитационного. В сложном выражении теории относительности поведение пространства также зависит от плотности энергии пустого пространства, лямбда-члена, который Эйнштейн назвал космологической постоянной – в замешательстве и разочаровании я решил подставить его в уравнение и получил, что отталкивающая сила вакуума способна объяснить ускоренное расширение. Данные открытия, обычно, принимаются как ошибки, потому я несколько недель перепроверял вычисления – все мои вычисления оказались верными»
В январе 1998 года Адам Рисс связывается с Брайаном Шмидтом – оба приходят к выводу, что их решения одинаковы. Перепроверив несколько алгоритмов измерения данных по сверхновым, а также рассмотрев все возможные варианты, включая помехи света сверхновой в виде межгалактической пыли, затускляющей свет, ученые пришли к выводу, что Вселенная расширяется ускоренно. Тут уместны слова, написанные участником группы High-Z Алексом Филиппенко 12 января 1998 года в e-mail-конференции: «Если мы ошибаемся в конечном результате, пусть будет так. Но по крайней мере мы участвуем в гонке». Подключилась и группа SCP, которая почти единовременно с High-Z Team установила ускоренное расширение Вселенной. Статья Рисса была опубликована 6 мая; через 9 месяцев свои данные продемонстрировала и группа SCP в Astronomical Journal. Журнал Science назвал «прорывом года» выводы, полученные двумя группами.
В 2006 году трое ученых: Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт стали лауреатами премии Шао Ифу (азиатской Нобелевской премии), а в 2011 году – Нобелевской. 5 октября в 11.45 секретарь Нобелевского комитета Стеффан Нормарк объявил о решении Шведской королевской академии наук присудить премию по физике именно этим трем людям за открытие ускоренного расширения Вселенной. Половина премии досталась Перлмуттеру, вторую половину поделили Рисс и Шмидт.
космические станции будущего
Умение сомневаться – вот что является двигателем прогресса. Критика идей помогает нам открывать, модернизировать, эволюционировать. Космология является одной из дисциплин, в которой сомнение играет важнейшую роль. Здесь нет места верующим и наивным. Это вам докажут такие люди как Галилей, Коперник, Эйнштейн, а также герои сегодняшней истории: Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт. Только умение мыслить и осознавать результаты трудов помогло этим ученым не скомкать тетрадный лист и не выбросить его в мусорное ведро. Теперь мы знаем, что Вселенная может не являться такой, какой мы ее видим. Мы знаем, что нам еще многое предстоит открыть. Мы знаем, что только с помощью критики размышлений мы доберемся до истины.

«Сомнение есть путь к истине: кто не сомневается — не видит, кто не видит — не понимает, кто не понимает — пребывает в слепоте и заблуждении »