Книга: 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

Истинная правда

Истинная правда

Первым из таких спутников стал WMAP (дабл-ю-мэп – от первой буквы фамилии Wilkinson и английского слова «карта»), запущенный 30 июня 2001 года. Изначально MAP расшифровывалось как Microwave Anisotropy Probe (зонд микроволновой анизотропии), но в 2003-м к сокращению добавили W в честь умершего незадолго до этого Дэвида Уилкинсона, одного из руководителей проекта. Миссия была запланирована в 1995 году, одобрена в 1997-м и готова к 2001-му – скорость развития событий доказывает ее важность и то, насколько успех СОВЕ активизировал эту область исследований. Датчики WMAP были в 45 раз чувствительнее датчиков СОВЕ: они могли «разглядеть» объекты с угловым размером в 35 раз меньше, чем их предшественники, то есть всего в одну пятую градуса, примерно треть видимого размера полной Луны[201]. WMAP к тому же мог проводить наблюдения на пяти длинах волн. Изначально планировалось использовать его два года, но он показал себя так хорошо, что исследования были продлены еще и еще раз и в итоге спутник проработал девять лет. После завершения работ в 2010 году он был перемещен на орбиту захоронения, где находится и поныне, не мешая работе следующих поколений спутников и совершая оборот вокруг Солнца 14 раз за 15 лет.

Уже с самого начала наблюдений WMAP превзошел все ожидания. Данные со спутника четко указывали на возраст Вселенной в 13,4 ± 0,3 млрд лет при значении постоянной Хаббла в 72 ± 5, с менее чем 5 % от массы Вселенной в виде барионов и общей массе материи примерно в 28 % от необходимой для плоскости Вселенной (то есть на долю темной энергии приходятся 72 %). Узор флуктуаций в целом совпал с прогнозом по инфляции[202].

Когда данные WMAP были сопоставлены с измерениями из других источников, в том числе с воздушных шаров, космологические параметры удалось еще больше уточнить, и по мере накопления объема наблюдений WMAP результаты продолжали сужать допуски. Одно из важнейших дополнительных измерений было сделано при изучении галактик, которое показало влияние БАО на распределение по небу миллионов звездных миров. По итогам девяти лет работы с WMAP его данные без учета других наблюдений указывали на возраст Вселенной, равный 13,74 ± 0,11 млрд лет, значение Н, равное 70,00 ± 2,2, барионную плотность 4,6 %, плотность ХТМ 24 % и массовую долю темной энергии 71 %. Эта оценка Н полностью независима от традиционной, основанной на методе цефеид. Совпадение (в пределах погрешности) этих результатов стало поразительным подтверждением того, что вся модель ?CDM достоверно описывает Вселенную. Чтобы доказать это, добавлю, что кривизна пространства была уточнена в пределах 0,4 % от полной плоскостности. Учет данных от других видов наблюдений корректирует эти величины очень незначительно: возраст Вселенной повышается до 13,772 ± 0,059 млрд лет. …Но когда срок работы WMAP истек, на орбиту был выведен новый спутник – «Планк», запущенный Европейским космическим агентством. Он продолжил сужать рамки погрешностей.

Спутник «Планк», названный в честь первооткрывателя природы излучения черного тела, был одним из двух чрезвычайно успешных спутников, выведенных на орбиту одной ракетой «Ариан-5» 14 мая 2009 года. Первое предложение по созданию этого спутника поступило в ESA в 1993 году (за два года до подачи идеи WMAP в НАСА), таким образом, на всю подготовку проекта ушло шестнадцать лет. Столь тщательный подход вылился в создание очень чувствительного спутника с самой передовой аппаратурой. Его датчики «видели» в три с лишним раза лучше датчиков WMAP, то есть могли фиксировать отклонение температуры реликтового излучения на одну миллионную градуса, обрабатывали более широкий спектр длин волн и могли обнаруживать горячие и холодные точки размером всего в 1/12 градуса – в два раза лучше WMAP. Результативность спутника «Планк» стала новым стандартом космологии, пока на орбите не появились еще более чувствительные приборы. Второй спутник, «Гершель», занимался исследованием Вселенной в инфракрасных лучах. Некоторые из моих коллег по Сассекскому университету входили в его команду, и я вместе с ними наблюдал за запуском «Ариан-5» онлайн на большом экране в университете (я тактично не сообщил коллегам, что спутник «Планк» мне более интересен). После ряда маневров «Планк» достиг рабочей орбиты 3 июля 2009 года и продолжал наблюдения до октября 2013 года, когда у него закончился запас охлаждающего жидкого гелия и топлива, его перевели на «кладбище» спутников и отключили.

Первые подробные результаты исследований «Планка» всего неба были опубликованы в марте 2013 года: они слегка уточняли результаты WMAP. Именно тогда везде стали писать, что возраст Вселенной равен 13,82 млрд лет, и именно тогда я задумался над написанием этой книги. Если быть точным, в то время данные спутника «Планка» предполагали возраст в 13,819 млрд лет. При добавлении данных о влиянии БАО на галактики и других выходило, что самое вероятное значение – 13,798 ± 0,037 млрд лет. Еще более подробный анализ данных «Планка», завершенный в конце 2014 года и обнародованный в феврале 2015-го, показал, что значение постоянной Хаббла составляет 67,8, а нашей Вселенной 13,799 млрд лет. При добавлении данных от сверхновых типа 1а и БАО значение постоянной Хаббла снижается до 67,74, но возраст Вселенной остается на уровне 13,799 с погрешностью до +0,021 млрд лет. Округляя до десятых для ясности, можно утверждать, что с максимальной вероятностью нашей Вселенной 13,8 млрд лет. Возможно, это число еще изменится, и нам стоит сделать паузу, чтобы уместить в голове тот факт, что на конец 2015 года космологические дискуссии вращаются вокруг уже второго порядка после запятой, а не вокруг принципиальных расхождений в теории. Данные «Планка» и WMAP отлично согласуются друг с другом, просто первые чуть точнее вторых. Важно отметить, что это согласование намного важнее наличия расхождений. Даже если сравнить их основные показатели без учета погрешностей, оба комплекта наблюдений выдают значения, различающиеся всего примерно на 100 млн лет – из 14 миллиардов! «Ошибка» составляет менее 1 %.

Впрочем, не все данные так идеально стыкуются друг с другом. В 2013 году при сопоставлении данных «Планка» и других источников количество темной энергии во Вселенной вышло равным 69,2 ± 0,01 % (уточнено в декабре 2014 года до 68,3 %), а плотность материи в целом оценивалась в 31,5 ± 1,7 % (уточнено до 31,7 %, а барионное вещество составляет всего 4,9 %, менее одной шестой), причем соответствующее значение Н оказалось эквивалентным 67,8 ± 0,77 (в декабре 2014 года, до уточнения, 67,15). Это означает, что Вселенная расширяется несколько медленнее, чем мы полагали. Хотя новые данные пересекаются с нижним пределом погрешности показателей WMAP, а полученные им результаты согласуются с традиционным методом в другом пределе погрешности, данные «Планка» и традиционных методик не пересекаются вообще (по состоянию на 2014 год уточненное значение Н на основе метода цефеид и сверхновых составляло 73,8 ± 2,4). Это может означать, что модель ?CDM все-таки не идеально описывает Вселенную. Хотя Франсуа Буше, ведущий специалист в научном коллективе спутника «Планк», подчеркивает, что «мы не располагаем надежными доказательствами ничего, выходящего за рамки классической модели ?CDM», детали такого рода могут однажды заставить нас обратиться к более сложным построениям, упомянутым ранее в примечании 198. Они способны оказаться сигналом какого-то отклонения от простейшей модели, которого мы пока не понимаем. Одним из вариантов объяснения – чисто умозрительным, но вполне возможным – может быть так называемый пузырь Хаббла. Возможно, мы живем в такой части Вселенной, плотность которой несколько ниже средней. По сравнению со всей Вселенной даже оценка по сверхновым относится лишь к небольшому участку космоса (это одна из причин, по которой измерения реликтового излучения дают более надежные показатели возраста Вселенной), и если этот участок несколько менее плотен, чем другие, то возможно, что материя вне его пределов притягивает к себе видимые нами галактики, что выглядит похоже на действие несколько большей, чем в действительности, постоянной Хаббла[203]. Обратите внимание, что это лишь догадка, которая может не оправдаться, а также, что любая коррекция модели ?CDM, необходимая для объяснения расхождений, наверняка окажется незначительной. Однако сегодня эта загадка будоражит ученых. Если все наблюдения вдруг совпадут с предсказаниями теоретиков, жизнь станет слишком скучной, а наблюдая противоречия, мы можем изыскивать все новые объяснения для их устранения.

Тем не менее тот факт, что возраст самых старых звезд почти равен (на самом деле чуть меньше, что очень важно) возрасту Вселенной, есть одно из величайших научных открытий в истории. Оно позволяет с уверенностью предположить, что общая теория относительности и квантовая механика верны в своей основе и однажды могут слиться воедино. Особенно потрясает то, что, если верить данным спутника «Планк», мы знаем возраст Вселенной с точностью до менее чем одного процента. В этом знании воистину воплощена «истинная правда» науки и надежное доказательство того, что именно наука представляет собой лучший способ понимания мироустройства.