Ученые давно задумывались о том, какую структуру имеет наша Вселенная и что ждет ее в будущем. Статичную изотропную модель окончательно похоронило открытие Хабблом красного смещения спектра удаленных галактик. Это смещение неопровержимо свидетельствовало об удалении галактик друг от друга и расширении Вселенной.
Однако установление нынешнего разбегания галактик и расширения Вселенной совершенно не означало, что так будет и в будущем. Сразу появились 3 принципиально различных моделей Вселенной.
Первая полагала, что Вселенная будет бесконечно расширяться. Согласно второй модели наступит момент, когда красное смещение спектра сменится фиолетовым, А Вселенная начнет сжиматься, пока не соберется в одну точку, затем последует новый Большой взрыв. Третий вариант существования Вселенной предусматривал череду сменяющих друг друга расширений и сжатий, Вселенная в таком случае представлялась пульсирующей.
С той поры, как было доказано существование невидимой темной материи (составляющей примерно 90% общей массы Вселенной) у ученых появилась возможность не предполагать, что ждет Вселенную в будущем, а делать научно обоснованные, хотя и весьма приблизительные расчеты. Базисом для таких расчетов служило определения плотности вещества Вселенной.
Конец 90-х годов прошлого века дал возможность ученым объединить 3 различных метода в единую систему. Это привело к созданию так называемого "космического треугольника" — схемы, описывающей возможные состояния Вселенной. Объединение методов исследования поразило специалистов, никто из них и представить не мог, как на самом деле ведет себя Вселенная. Рассмотрим эти методы подробнее.
Измерение рентгеновского излучения межгалактического газа
Основная идея этого метода состоит в том, что чем больше по своей массе скопление галактик, тем больше межгалактического газа ему удается "засосать", и тем горячее будет этот газ.
Основная масса Вселенной собрана именно в скоплениях галактик, следовательно, первый метод дает возможность довольно точно определить общую массу вещества Вселенной. После проведенных расчетов выяснилось, что масса Вселенной, включая и темную материю, составляет не более 30% от необходимой для смены расширения на сжатие. Таким образом, наша Вселенная должна бесконечно расширяться.
Измерение реликтового излучения
Совершенствование техники позволило сделать прорыв в точности измерения микроволнового реликтового излучения. Его фон оказался полностью однородным и изотропным.
Подобный результат указывает, что Вселенная является абсолютно "плоской" в геометрическом смысле этого слова. Однако согласно первому методу исследования общей массы вещества Вселенной недостаточно для ее полного "сплющивания". Так что два метода в совокупности показали противоположные результаты (правда можно предположить, что имеются еще какие-то формы материи пока неизвестные человечеству).
Измерение скорости расширения Вселенной
Кажущееся противоречие между 2 методами определения дальнейшей судьбы и структуры Вселенной было устранено с помощью метода прямого измерения скорости расширения. Физикам давно известно, что определение каких-либо параметров значительно уступает по точности непосредственным измерениям какой-либо величины. Отсюда следует, что 3 метод является наиболее достоверным. Но именно он и показал самые парадоксальные результаты. Его идея заключается в следующем свет от объекта удаленного от нас на 5 миллиардов световых лет дает нам картину существования этого объекта именно 5 000 000 000 лет назад. Измерив скорость его удаления, мы можем определить, какой она была 5 миллиардов лет назад. Сравнение этой скорости расширения Вселенной со скоростью нынешней дает возможность определить ее изменение за прошедшие годы. А еще можно рассчитать общую массу вещества Вселенной.
Истинное расстояние до космического объекта удаленного на огромное расстояние крайне сложно определить, но тут на помощь астрофизикам пришли взрывы сверхновых звезд. Представим звездную пару в которой главная звезда является горячим гигантом, а ее напарница белым карликом.
Карлик перетягивает на свою поверхность вещество главной звезды, пока оно не соберется в количестве равном критической массе. Дальше запускается цепная реакция термоядерного синтеза и происходит взрыв Сверхновой типа lа. Мощность подобного взрыва для любой такой сверхновой является величиной постоянной и расчетной следовательно, определив яркость взрыва, можно точно рассчитать расстояние до взорвавшегося объекта, а значит, и до интересующей галактики.
Когда в руках астрофизиков оказался надежный инструмент для расчета расстояний, определить скорость изменения расширения Вселенной уже не представлялось непосильной задачей. Вот только результаты расчетов были ошеломляющими. Выяснилось, что скорость расширения Вселенной не замедляется (как ожидало большинство специалистов), а наоборот увеличивается. Следовательно, Вселенная ускоренно расширяется.
Космический треугольник
По результатам использования всех трех методов определения был составлен "космический треугольник" состояния Вселенной, где точка взаимного пересечения вариантов дает реальное состояние Вселенной.
Составленная диаграмма показывает, что энергия Вселенной (а она эквивалентна массе согласно знаменитому уравнению Эйнштейна Е=mc2), заключенная в видимой и темной материях составляет примерно 1/3 от полной энергии. Еще 2/3 пребывают в виде темной энергии, пока не открытой человечеством.
Астрофизики объясняют наличие темной энергии, как одно из проявлений космологической константы, которую предложил около 100 лет назад Альберт Эйнштейн. Противники этой теории предполагают наличие некой силы (пятого элемента или "квинтэссенции"), свойства которой нам пока абсолютно неизвестны.
А тем временем наша Вселенная ускоренно расширяется и этот процесс, по мнению большинства астрофизиков, должен длиться бесконечно.