Все, что существует на Земле, в нашей Солнечной системе, нашей галактике и за ее пределами, заключено во Вселенной. Так что же наука может рассказать о всеобъемлющей четырехмерной колыбели, которая удерживает пространство-время? Многое. Философы, математики и астрономы разных культур и эпох долго спорили и выдвигали теории о ночном небе. Однако в начале 1920-х годов, опираясь на работу Генриетты Суон Ливитт и других ученых, астроном Эдвин Хаббл впервые получил неопровержимые доказательства того, что спиралевидные скопления, наблюдаемые в телескопы, на самом деле являются далекими галактиками, подобными Млечному Пути. Благодаря детальным снимкам с длинной экспозицией таких космических объектов, как пульсирующие цефеиды, Хаббл подтвердил истинную природу туманности Андромеды и других образований. Это были не просто близлежащие газовые облака, а целые далекие миры и звездные системы. За прошедшее столетие возможность наблюдать за космосом стала значительно лучше. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» на сегодняшний день является самым передовым из когда-либо запущенных, и он регулярно предоставляет потрясающие изображения из разных уголков Вселенной. Анализируя данные с космических телескопов и других инструментов, астрономы, космологи и астрофизики способны определять и предсказывать многие вещи о форме, скорости и изменении Вселенной. За все время удалось получить большой объем информации, но некоторые вопросы все еще остаются без ответов. Насколько велика Вселенная? Ответ астрофизика из Технологического университета Суинберна (Австралия) Сары Уэбб не обнадеживает. Она заявила, что физически нет никакого способа узнать, какого размера Вселенная. Однако точно известно, что ее диаметр превышает 93 миллиарда световых лет. Это размер сферы наблюдаемой Вселенной, в центре которой находится Земля. Способность изучать космос ограничена возрастом Вселенной и скоростью света. Можно увидеть только тот свет, который успел достичь планету с момента Большого взрыва, произошедшего примерно 13,8 миллиарда лет назад. Поэтому самый древний свет, доступный наблюдению, прошел 13,8 миллиарда световых лет. Однако наблюдаемая Вселенная простирается дальше 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях, так как пространство все это время расширялось. Благодаря этому свет, испущенный так давно, фактически преодолел 46,5 миллиарда световых лет, прежде чем достичь телескопов. «Теоретически это означает, что пространство расширяется быстрее скорости света, если рассматривать его в целом, что, конечно, сложно осознать, — пояснила Уэбб. — Пустота пространства-времени не подчиняется тем же законам, что материя и физические объекты». Нет точных данных о полном размере Вселенной, но Уэбб считает, что она вполне может быть бесконечной. «Нет никаких оснований полагать, что у нее есть границы. Ничто не указывает на то, что где-то должен быть край», — добавила астрофизик. Вопрос о существовании границ остается открытым, но ученые придерживаются одного мнения в другом: форма Вселенной — плоская, но не так, как вы себе представляете (пространство-время четырехмерно). Это означает, что движение вперед без изменения направления никогда не приведет обратно к начальной точке. Вселенная, скорее всего, напоминает четырехмерный лист бумаги. Откуда известно о расширении Вселенной? Используя теорию и измерения света, исходящего от далеких звезд, несколько астрономов в начале 1900-х годов выдвинули предположение о расширении Вселенной. В 1924 году шведский астроном Кнут Лундмарк первым получил доказательства этого расширения. В 1929 году работа Хаббла подтвердила выводы. Эти ранние наблюдения основывались на явлении, называемом красным смещением, которое является визуальной версией эффекта Доплера. Представьте, как меняются звуковые волны сирены проезжающей машины скорой помощи в зависимости от ее положения и скорости: звук кажется выше при приближении и ниже при удалении. Аналогичным образом восприятие световых волн зависит от движения и скорости света. Свет, движущийся к вам, будет казаться более синим, а удаляющийся — более красным, поскольку пики и впадины волны сжимаются и растягиваются соответственно. Хаббл и его коллеги отметили, что все наблюдаемые с Земли галактики кажутся красными, причем наиболее удаленные демонстрируют наибольшее красное смещение. Это указывает на то, что все галактики удаляются от планеты. Более далекие галактики, по-видимому, уносятся в космос быстрее, потому что между нами и ними больше «пустоты», которая может расширяться. Помимо наблюдений за красным смещением, ученые прошлого и настоящего также полагаются на стандартные свечи для оценки размеров и скорости расширения Вселенной. Как объяснила изданию Popular Science астроном Эбигейл Ли из Чикагского университета, стандартные свечи — это удобные космологические маркеры с известной яркостью, позволяющие отслеживать, как свет распространяется и изменяется в пространстве-времени. Первым типом таких маркеров стали открытые Хабблом цефеиды — пульсирующие звезды, излучающие свет с четкой периодичностью, по которой можно определить их расстояние до Земли. Представьте лампу накаливания мощностью 40 Вт. Все лампы такой мощности имеют одинаковую яркость. Но если смотреть на нее с расстояния 30 метров, свет будет казаться тусклее, чем с трех метров. По степени этого «потускнения» можно вычислить расстояние до лампы. То же самое работает и с цефеидами в космосе. Другие стандартные свечи, используемые для той же цели, включают определенные типы сверхновых (то есть взрывающихся звезд), звезды «кончика ветви красных гигантов» и углеродные звезды. «Мы знаем, что у этих объектов одинаковая собственная светимость, что позволяет точно измерять расстояния», — отметила Ли. Можно приблизительно определить расстояние между Землей и другими галактиками, найдя туманности, которые содержат эти стандартные свечи. В 2011 году трое ученых получили Нобелевскую премию по физике за доказательство того, что Вселенная не просто расширяется, но и делает это с ускорением благодаря темной энергии. Темная энергия — загадочная и отталкивающая сила, раздвигающая космическую материю и объекты. Считается, что ее воздействие равномерно во всей Вселенной, но само расширение заметно не везде. В пределах Земли, Солнечной системы и галактики гравитация достаточно сильна, чтобы противостоять темной энергии. Да и скорость расширения слишком мала, чтобы можно было легко наблюдать за этим. Для обнаружения эффекта нужно наблюдать за очень далекими объектами. Как быстро расширяется Вселенная? На основе своих ранних наблюдений Хаббл первоначально предположил, что Вселенная расширяется со скоростью около 500 километров в секунду на мегапарсек (Мпк), где 1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет. Эта скорость расширения Вселенной стала известна как постоянная Хаббла (H₀), хотя первоначальная оценка самого астронома оказалась весьма неточной. На сегодняшний день есть более четкое представление о скорости расширения. Ученые в целом сходятся во мнении, что H₀ находится в диапазоне 65-75 км/с/Мпк. Если это звучит сложно, то так оно и есть. Скорость расширения Вселенной зависит как от времени, так и от расстояния. Она возрастает на больших масштабах пространства и временных промежутках. Однако вопрос о точной скорости остается открытым. В зависимости от метода измерения расчеты истинного значения H₀ дают разные результаты. В основном два различных подхода к определению H₀ регулярно приводят к разным цифрам. Это расхождение известно как напряжение Хаббла. Согласно одному набору измерений, которые опираются на сравнительно близкие стандартные расчеты свечей, H₀ составляет 73 ± 1 км/с/Мпк. Другой метод, использующий данные о реликтовом излучении, дает значение 67 ± 1. Оба измерения настолько точны, что здесь нет места для ошибки. Какое-то время астрономы надеялись, что более совершенные инструменты помогут устранить это расхождение, сблизив полученные значения. Однако этого не произошло. По словам Ли, технологии совершенствуются, но проблема не исчезает. Даже новейшие расчеты на основе данных телескопа «Джеймс Уэбб» не смогли сблизить оценки H₀. На данный момент темная энергия переживает кризис, потому что ничто не согласуется, несмотря на исключительно тщательные научные исследования. Возможно, расхождение все же вызвано ошибками измерений. Но не исключено, что здесь кроется нечто большее. Сара Уэбб предположила, что силы темной энергии, которые, как считается, вызывают расширение Вселенной, не совсем однородны. А может быть, нужна новая теория физики, чтобы объединить все наблюдения. Ученые работают над проблемой со всех сторон, рассматривая способы улучшения измерений, а также формулируя теоретические объяснения общей картины. «Дополнительные подходы полезны, — пояснила Ли. — Возможно, нам не придется искать ошибки, если появится теория, которая все свяжет воедино. Если обнаружится крупная погрешность измерений, это тоже разрешит ситуацию». По материалам статьи «Is the universe really infinite? Astrophysicists explain.» Popular Science