Трехмерная карта большого объема Вселенной, измерение следов реликтовых звуковых волн и уточнение ключевых космологических параметров, включая постоянную Хаббла, — таковы итоги двадцати лет Слоановского цифрового обзора неба (SDSS). Все это, с учетом накопленных другими проектами данных, с большой точностью подтверждает реальность темной энергии, заполняющей космос. Об этой таинственной субстанции РИА Новости рассказал Дмитрий Бизяев — участник коллаборации SDSS, сотрудник Обсерватории Апачи Поинт и отдела внегалактической астрономии Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.
В конце 1990-х стартовали несколько проектов наблюдений далеких сверхновых типа Ia. Их используют в космологии как "стандартные свечи" — источники, яркость которых хорошо известна. Это помогает точно оценить расстояние до исследуемого объекта независимым от закона Хаббла методом. В итоге подтвердилась идея о том, что Вселенная расширяется с ускорением. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике.
Тогда же стало ясно: основные космологические параметры требуют серьезного уточнения. Группа ученых во главе с Джимом Ганном из Принстона задумала построить телескоп для получения оптических спектров сразу множества объектов в поле зрения. По современным меркам относительно небольшой — 2,5-метровый, — он должен был сканировать значительную по величине область неба и наблюдать далекие галактики и квазары. Основанный на данных телескопа Слоановский цифровой обзор неба — Sloan Digital Sky Survey — заработал в полную силу к 2000 году в обсерватории Апачи Поинт.
"Спектры получаются для нескольких сотен объектов одновременно. Положение и природу каждого предварительно определяют по фотометрии. В фокальной плоскости располагается оптическое волокно, проводящее свет в спектрограф. Волокна вставлены в металлические пластины, каждая из которых изготовлена для определенной области неба и интересных источников на ней. За ночь наблюдали до девяти таких пластин, то есть, в удачный период обзор получал около восьми тысяч спектров. Измерив красные смещения большого количества объектов, можно минимизировать ошибки и протестировать разные космологические модели", — рассказывает Дмитрий Бизяев.
За 20 лет телескоп собрал данные о четырех миллионах источников.
"Сегодня и еще на несколько лет вперед это самая большая выборка. С появлением новых массированных спектральных обзоров неба количество объектов будет расти, однако SDSS надолго останется образцом для сравнения", — отмечает ученый. В июле этого года участники подвели итоги четвертой фазы исследований (SDSS-IV) — выпустили серию статей и опубликовали трехмерную карту Вселенной, охватывающую 11 миллиардов лет ее эволюции. В сентябре началась пятая фаза Слоановского обзора — SDSS-V, также основанная на массивных спектральных обзорах различных источников.
Сразу после Большого взрыва вещество и излучение Вселенной представляли собой единую раскаленную плазму, в которой распространялись звуковые волны. Примерно через 380 тысяч лет она немного остыла, и атомы перешли в нейтральное состояние — рекомбинировали. Акустические колебания затухли. Однако длина их волн отпечаталась в пространственном расположении галактик. Ее можно вычислить в виде слабого статистического сигнала — когда одно расстояние между парами галактик немного преобладает над остальными. Этот эффект называют барионными акустическими осцилляциями (БАО) — он дает возможность измерить так называемую космологическую "стандартную линейку".
В 2005 году эту теоретическую догадку независимо подтвердили участники проектов SDSS-III и 2dFGRS (Второго галактического обзора красного смещения). Позже результат повторили еще несколько научных групп. Значение БАО составляет примерно 500 миллионов световых лет. "Длина акустических волн многое рассказывает нам об условиях, сложившихся в эпоху рекомбинации, которая сейчас наблюдается на красных смещениях порядка 1000-1100", — уточняет Бизяев. БАО служит для расчета постоянной Хаббла — одного из фундаментальных параметров, описывающих расширяющуюся Вселенную.
"Скомбинировав наши данные с результатами других измерений — по сверхновым, реликтовому излучению и гравитационному линзированию, — мы получили постоянную Хаббла и другие параметры Вселенной с очень хорошей точностью: порядка одного процента. Лет двадцать назад такое было бы нереально. Парадоксально, что для очень далеких объектов этот фундаментальный параметр получается систематически меньше, чем для близких. По комбинированным данным, постоянная Хаббла — около 68 километров в секунду на мегапарсек, тогда как по относительно близким галактикам — около 74 километров в секунду на мегапарсек. Мы вынуждены констатировать, что это не ошибки наблюдений, а, по-видимому, проявление физических эффектов, которые еще предстоит объяснить. Как минимум, придется немного увеличить возраст Вселенной", — описывает ученый один из важнейших результатов работы.
В уравнение расширяющейся Вселенной входит сумма плотностей энергий всех типов материй и темной энергии. Параметры для него вычисляют, основываясь в первую очередь на измерениях БАО, реликтового микроволнового излучения, сверхновых Ia, гравитационного линзирования. Различные комбинации этих наборов данных лучше всего укладываются в модель, где фигурирует лямбда-член — CDM (лямбда плюс холодная темная материя). Согласно ей, Вселенная наполнена обычной видимой материей, темной материей и темной энергией. Лямбда-член как некая константа введена в общее решение уравнения Эйнштейна для эволюции Вселенной. Наблюдательные данные второй половины XX века могли быть интерпретированы без такого усложнения, поэтому космологические модели с лямбда-членом рассматривались только гипотетически. Сейчас они получили подтверждение.
Лямбда — это энергия скалярного поля, распределенного в пространстве. Для наглядности можно сравнить ее с температурой воздуха в помещении. В случае Вселенной она обладает свойствами антигравитации, которая отвечает не за притяжение масс, а за отталкивание, а значит, и за ускоренное расширение Вселенной. Эта энергия никак себя не проявляет, кроме влияния на движение вещества во Вселенной в целом. Вот почему ее называют темной энергией (энергией вакуума).
"Мы не можем измерить эту скалярную энергию приборами на близких расстояниях. Только космологические наблюдения говорят о ее существовании. Они показывают, что на нее приходится более 70 процентов плотности во Вселенной. По контрасту с представлениями второй половины прошлого века это существенное изменение", — объясняет астрофизик.
"Темная энергия не появилась и не исчезла, она существовала всегда, просто мы обнаружили ее недавно. Согласно инфляционной космологии — всеобъемлющей теории, которая пытается объяснить обстоятельства, приведшие к Большому взрыву, — энергия скалярного поля сыграла ключевую роль в рождении Вселенной, в появлении пространства и времени", — резюмирует он. Никто пока не знает точно, что такое темная энергия, из чего она состоит и как подзарядить от нее смартфон. Теории на этот счет наверняка есть, но они выходят за рамки этой статьи.
