Два раза в день, семь дней в неделю, с февраля по ноябрь в течение последних четырех лет, два исследователя утепляли себя термобельем и верхней одеждой, флисом, фланелью, двойными перчатками, двойными носками, мягким комбинезоном и пышными красными парками, мумифицируя себя пока они не выглядят как близнецы Мишлен. Затем они выходят на улицу, обмениваясь теплом и современными удобствами научной станции (настольный футбол, фитнес-центр, 24-часовая столовая) для безликого ландшафта минус 100 градусов по Фаренгейту, более лестного, чем Канзас, и одного из самых холодных мест на планете. Они тащатся во тьме почти милю через плато снега и льда, пока не различают на фоне большего количества звезд, чем когда-либо наблюдал, сидящий на заднем дворе в руках, силуэт гигантского диска телескопа Южного полюса. где они присоединяются к глобальным усилиям, чтобы решить, возможно, самую большую загадку во вселенной: из чего большая часть этого сделана.
Связанный контент
- Оставшиеся фотографии Обреченного Южного Полюса
В течение тысяч лет наш вид изучал ночное небо и задавался вопросом, есть ли что-нибудь еще там. В прошлом году мы отметили 400-летие ответа Галилея: Да. Галилей натренировал новый инструмент, телескоп, на небесах и увидел объекты, которые никто другой никогда не видел: сотни звезд, горы на Луне, спутники Юпитера. С тех пор мы обнаружили более 400 планет вокруг других звезд, 100 миллиардов звезд в нашей галактике, сотни миллиардов галактик за пределами нашей, даже слабое излучение, которое является эхом Большого взрыва.
Теперь ученые считают, что даже эта экстравагантная перепись Вселенной может быть столь же устаревшей, как космос из пяти планет, который Галилей унаследовал от древних. Астрономы собрали доказательства того, что то, о чем мы всегда думали как о реальной вселенной - я, вы, этот журнал, планеты, звезды, галактики, вся материя в космосе - представляет всего лишь 4 процента того, что на самом деле существует. Остальные они называют, из-за отсутствия лучшего слова, темные: 23 процента - это то, что они называют темной материей, а 73 процента - что-то еще более загадочное, что они называют темной энергией.
«У нас есть полный перечень вселенной, - сказал Шон Кэрролл, космолог Калифорнийского технологического института, - и это не имеет смысла».
У ученых есть некоторые идеи о том, что может быть темной материей - экзотическими и все еще гипотетическими частицами - но они едва ли имеют представление о темной энергии. В 2003 году Национальный исследовательский совет назвал «Что такое природа темной энергии?» В качестве одной из наиболее актуальных научных проблем в ближайшие десятилетия. Глава комитета, написавшего доклад, космолог Чикагского университета Майкл С. Тернер, идет дальше и считает темную энергию «самой глубокой загадкой во всей науке».
Усилия по ее решению мобилизовали поколение астрономов на переосмысление физики и космологии, чтобы конкурировать и, возможно, превзойти революцию, начатую Галилеем осенним вечером в Падуе. Они приходят к соглашению с глубокой иронией: само зрение ослепило нас почти для всей вселенной. И признание этой слепоты, в свою очередь, побудило нас спросить, как будто впервые: что это за космос, который мы называем домом?
В 1970-х годах ученые пришли к единому мнению, что во вселенной есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд. В компьютерном моделировании нашей галактики, Млечного Пути, теоретики обнаружили, что центр не будет удерживаться - исходя из того, что мы можем видеть, нашей галактике не хватает массы, чтобы держать все на месте. Когда он вращается, он должен распадаться, проливая звезды и газ во всех направлениях. Либо спиральная галактика, такая как Млечный Путь, нарушает законы гравитации, либо свет, исходящий от нее - из огромных светящихся газовых облаков и множества звезд - является неточным показателем массы галактики.
Но что, если какая-то часть массы галактики не излучает свет? Если спиральные галактики содержат достаточно такой загадочной массы, то они вполне могут подчиняться законам гравитации. Астрономы окрестили невидимую массу «темной материей».
«Никто никогда не говорил нам, что излучается вся материя», - сказала Вера Рубин, астроном, чьи наблюдения вращений галактик подтверждают темную материю. «Мы просто предполагали, что это так».
Усилия по пониманию темной материи определили большую часть астрономии на следующие два десятилетия. Астрономы могут не знать, что такое темная материя, но вывод ее присутствия позволил им по-новому взглянуть на вечный вопрос: какова судьба вселенной?
Они уже знали, что вселенная расширяется. В 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас и чем дальше они уходят, тем быстрее они, похоже, отступают.
Это была радикальная идея. Вместо величественного, вечно неизменного натюрморта, каким когда-то казалась Вселенная, она была фактически жива во времени, как кино. Перемотайте фильм о расширении, и Вселенная в конечном итоге достигнет состояния бесконечной плотности и энергии - то, что астрономы называют Большим взрывом. Но что, если вы нажмете на ускоренную перемотку? Чем закончится история?
Вселенная полна материи, а материя притягивает другую материю посредством гравитации. Астрономы пришли к выводу, что взаимное притяжение всей этой материи должно замедлять расширение Вселенной. Но они не знали, каким будет конечный результат. Разве гравитационный эффект был бы настолько сильным, что вселенная в конечном итоге растянется на определенное расстояние, остановится и развернется, как шар, брошенный в воздух? Или это будет настолько мало, что вселенная выйдет из-под контроля и никогда не перестанет расширяться, как ракета, покидающая атмосферу Земли? Или мы жили в изящно сбалансированной вселенной, в которой гравитация обеспечивает скорость расширения Златовласки не слишком быстро и не слишком медленно, так что вселенная в конечном итоге фактически остановилась?
Предполагая существование темной материи и закон гравитации универсальным, две команды астрофизиков - одна во главе с Солом Перлмуттером в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, другая Брайаном Шмидтом в Австралийском национальном университете - решили определить будущее Вселенной. В течение 1990-х годов команды соперников тщательно анализировали ряд взрывающихся звезд или сверхновых, используя эти необычайно яркие, недолговечные удаленные объекты для измерения роста вселенной. Они знали, насколько яркие сверхновые должны появиться в разных точках вселенной, если скорость их расширения будет одинаковой. Сравнивая, насколько ярче действительно появлялись сверхновые звезды, астрономы выяснили, что они могут определить, насколько сильно замедляется расширение Вселенной. Но к удивлению астрономов, когда они смотрели так далеко на полпути во Вселенной, на расстоянии шести или семи миллиардов световых лет, они обнаружили, что сверхновые звезды не были ярче - и, следовательно, ближе - чем ожидалось. Они были более тусклыми, то есть более отдаленными. Обе команды пришли к выводу, что расширение вселенной не замедляется. Это ускоряется.
Смысл этого открытия был важным: это означало, что доминирующей силой в эволюции вселенной не является гравитация. Это ... что-то еще. Обе команды объявили о своих результатах в 1998 году. Тернер дал «что-то» прозвище: темная энергия. Это застряло. С тех пор астрономы преследовали тайну темной энергии до самых краев Земли - буквально.
«На Южном полюсе самая суровая на Земле, но и самая благоприятная среда», - говорит Уильям Холзапфель, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли, который был ведущим исследователем на телескопе Южного полюса (SPT), когда я посещал его.
Он не имел в виду погоду, хотя на неделе между Рождеством и Новым годом - ранним летом в Южном полушарии - Солнце светило круглосуточно, температура была едва минусовой, а однажды даже пробил ноль ), и ветер был в основном спокойный. Хольцапфель прошел от станции Южного полюса Амундсена-Скотта Национального научного фонда (снежный ком от традиционного места расположения самого полюса, отмеченного, да, полюсом) до телескопа в джинсах и кроссовках. Однажды днем здание лаборатории телескопа стало настолько теплым, что команда открыла дверь.
Но с точки зрения астронома, до тех пор, пока Солнце не сядет и не опустится - с марта по сентябрь - Южный полюс не станет «мягким».
«Это шесть месяцев непрерывных данных», - говорит Хольцапфель. В течение 24-часовой темноты австралийской осени и зимы телескоп работает без остановок в безупречных условиях для астрономии. Атмосфера тонкая (полюс более 9 300 футов над уровнем моря, 9 000 из которых - лед). Атмосфера также стабильна из-за отсутствия эффектов нагревания и охлаждения восходящего и заходящего Солнца; у полюса есть некоторые из самых спокойных ветров на Земле, и они почти всегда дуют с одного и того же направления.
Возможно, самое важное для телескопа, воздух исключительно сухой; технически Антарктида - это пустыня. (Потрескавшиеся руки могут заживать неделями, а потение на самом деле не является проблемой гигиены, поэтому ограничение двух душей в неделю для экономии воды не представляет большой проблемы. Как сказал один ветеран поляков: «В тот момент, когда вы идете вернувшись через таможню в Крайстчерч [Новая Зеландия], именно тогда вам понадобится душ ».) ППП обнаруживает микроволны, часть электромагнитного спектра, которая особенно чувствительна к водяному пару. Влажный воздух может поглощать микроволны и препятствовать их попаданию в телескоп, а влага испускает собственное излучение, которое может быть неверно истолковано как космические сигналы.
Чтобы минимизировать эти проблемы, астрономы, которые анализируют микроволны и субмиллиметровые волны, сделали Южный полюс вторым домом. Их инструменты находятся в Темном Секторе, узком скоплении зданий, где свет и другие источники электромагнитного излучения сведены к минимуму. (Рядом находятся Тихий сектор для сейсмологических исследований и Сектор чистого воздуха для климатических проектов.)
Астрономам нравится говорить, что для более нетронутых условий наблюдения им придется отправиться в космос - экспоненциально более дорогое предложение, которое НАСА, как правило, не любит проводить, если наука не может быть легко осуществлена на Земле. (Спутник темной энергии включался и выключался с чертежной доски с 1999 года, а в прошлом году, согласно советнику НАСА, «вернулся на круги своя».) По крайней мере, на Земле, если что-то пойдет не так с инструментом, вы не чтобы его починить, нужно командовать космическим кораблем.
Соединенные Штаты поддерживают круглогодичное присутствие на полюсе с 1956 года, и к настоящему времени американская антарктическая программа Национального научного фонда привела жизнь к науке. До 2008 года станция размещалась в геодезическом куполе, корона которого все еще видна над снегом. Новая базовая станция больше напоминает небольшой круизный лайнер, чем удаленный форпост и спит более 150 человек, все в частных помещениях. Через иллюминаторы, которые находятся на двух этажах, вы можете созерцать горизонт так же гипнотически, как и любой океан. Новая станция опирается на подъемники, которые, по мере накопления снега, позволяют поднять две полные истории.
Снегопад в этой ультра засушливой области может быть минимальным, но то, что дует с краев континента, все еще может создавать беспорядок, создавая одну из самых обыденных задач для зимней команды SPT. Раз в неделю в темные месяцы, когда население станции сокращается примерно до 50, двум исследователям SPT на месте приходится забираться в микроволновую тарелку телескопа шириной 33 фута и чистить ее. Телескоп собирает данные и отправляет их на рабочие столы удаленных исследователей. Два «зимовщика» проводят дни, работая над данными, анализируя их так, как будто они вернулись домой. Но когда телескоп дает сбой и на их ноутбуках звучит сигнал тревоги, они должны выяснить, в чем проблема - быстро.
«Час простоя - это тысячи долларов потерянного времени для наблюдений», - говорит Кит Вандерлинде, один из двух победителей 2008 года. «Всегда есть мелочи. Вентилятор сломается, потому что там так сухо, что вся смазка исчезнет. И тогда компьютер перегреется и сам выключится, и внезапно мы находимся в упадке, и мы понятия не имеем, почему ». На этом этапе окружающая среда может и не казаться настолько« благоприятной »в конце концов. С марта по октябрь рейсы на Южный полюс и с него не выполняются (моторное масло самолета желатинизировалось бы), поэтому, если зимние перерывы не могут починить то, что сломано, оно остается сломанным, чего еще не произошло.
В большей степени, чем в большинстве наук, астрономия зависит от чувства зрения; прежде чем астрономы смогут переосмыслить вселенную в целом, они должны сначала выяснить, как воспринимать темные части. Знание темной материи поможет ученым подумать о том, как формируется структура вселенной. Знание того, что делает темная энергия, помогло бы ученым задуматься о том, как эта структура развивалась с течением времени и как она будет продолжать развиваться.
У ученых есть пара кандидатов на состав темной материи - гипотетические частицы, называемые нейтралино и аксионы. Однако для темной энергии задача состоит в том, чтобы выяснить не то, что это такое, а то, на что это похоже. В частности, астрономы хотят знать, изменяется ли темная энергия в пространстве и времени или она постоянна. Одним из способов его изучения является измерение так называемых барионных акустических колебаний. Когда Вселенная еще находилась в зачаточном состоянии, ей было всего 379 000 лет, она достаточно остыла, чтобы барионы (частицы, сделанные из протонов и нейтронов) могли отделиться от фотонов (пакетов света). Это разделение оставило отпечаток, называемый космическим микроволновым фоном, который все еще можно обнаружить сегодня. Он включает в себя звуковые волны («акустические колебания»), которые проходят через детскую вселенную. Пики этих колебаний представляют области, которые были немного более плотными, чем остальная часть вселенной. И поскольку материя притягивает материю под действием силы тяжести, эти области становились еще плотнее по мере старения Вселенной, объединяясь сначала в галактики, а затем в скопления галактик. Если астрономы сравнивают исходные космические микроволновые фоновые колебания с распределением галактик на разных этапах истории вселенной, они могут измерить скорость расширения вселенной.
Другой подход к определению темной энергии включает метод, называемый гравитационным линзированием. В соответствии с теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна, луч света, проходящий через пространство, кажется, изгибается из-за гравитационного притяжения вещества. (На самом деле, само пространство искривляется, и свет просто движется вместе.) Если два скопления галактик лежат вдоль одной линии обзора, то передний план будет действовать как линза, которая искажает свет, исходящий от фонового скопления. Это искажение может сказать астрономам массу скопления на переднем плане. Отобрав миллионы галактик в разных частях Вселенной, астрономы должны иметь возможность оценить скорость, с которой галактики сгруппировались в скопления с течением времени, и эта скорость, в свою очередь, скажет им, как быстро Вселенная расширилась в разные моменты своей истории.
Телескоп на Южном полюсе использует третью технику, названную эффектом Суньяева-Зельдовича, названную в честь двух советских физиков, которая использует космический микроволновый фон. Если фотон из последнего взаимодействует с горячим газом в кластере, он испытывает небольшое увеличение энергии. Обнаружение этой энергии позволяет астрономам наносить на карту эти скопления и измерять влияние темной энергии на их рост на протяжении всей истории Вселенной. Это, по крайней мере, надежда. «Многие люди в сообществе развили то, что я считаю здоровым скептицизмом. Они говорят: «Это здорово, но покажите нам деньги», - говорит Хольцапфель. «И я думаю, что через год или два мы сможем это сделать».
Команда SPT фокусируется на скоплениях галактик, потому что они являются крупнейшими структурами во вселенной, часто состоящими из сотен галактик - они в миллион миллионов раз больше массы Солнца. По мере того как темная энергия подталкивает вселенную к расширению, галактическим кластерам будет труднее расти. Они станут более отдаленными друг от друга, и вселенная станет более холодной и одинокой.
Галактические кластеры «похожи на канареек в угольной шахте с точки зрения формирования структуры», говорит Хольцапфель. Если бы плотность темной материи или свойства темной энергии изменились, изобилие скоплений «было бы первым, что нужно изменить». Телескоп Южного полюса должен иметь возможность отслеживать скопления галактик с течением времени. «Вы можете сказать:« Сколько миллиардов лет назад было так много кластеров и сколько их сейчас? », - говорит Хольцапфель. «А затем сравните их с вашими предсказаниями».
Все же все эти методы идут с оговоркой. Они предполагают, что мы достаточно хорошо понимаем гравитацию, которая является не только силой, противостоящей темной энергии, но и была самой основой физики в течение последних четырех столетий.
Двадцать раз в секунду лазер высоко в горах Сакраменто в Нью-Мексико направляет импульс света на Луну, расположенную на расстоянии 239 000 миль. Целью луча является один из трех отражателей размером с чемодан, которые астронавты Аполлона посадили на лунную поверхность четыре десятилетия назад. Фотоны от луча отскакивают от зеркала и возвращаются в Нью-Мексико. Общее время поездки в оба конца: 2, 5 секунды, больше или меньше.
Это «более или менее» имеет все значение. Посредством измерения времени прохождения скорости света исследователи Лунной лазерной операции (APOLLO) Обсерватории Апач-Пойнт могут измерять расстояние от Земли до Луны от момента к моменту и наносить на карту орбиту Луны с исключительной точностью. Как и в апокрифической истории о том, как Галилей сбрасывает шары с Пизанской башни, чтобы проверить универсальность свободного падения, APOLLO рассматривает Землю и Луну как два шара, падающие в гравитационном поле Солнца. Марио Ливио, астрофизик из Научного института космического телескопа в Балтиморе, называет это «абсолютно невероятным экспериментом». Если орбита Луны демонстрирует даже малейшее отклонение от предсказаний Эйнштейна, ученым, возможно, придется пересмотреть его уравнения - и, возможно, даже существование темной материи и темной энергии.
«Пока что Эйнштейн держится», - говорит один из ведущих наблюдателей APOLLO, астроном Рассет МакМиллан, когда ее пятилетний проект проходит половину пути.
Даже если бы Эйнштейн не держал в руках, исследователи сначала должны были бы устранить другие возможности, такие как ошибка в измерении массы Земли, Луны или Солнца, прежде чем признать, что общая теория относительности требует коррекции. Несмотря на это, астрономы знают, что они принимают гравитацию как должное на свой страх и риск. Они сделали вывод о существовании темной материи из-за ее гравитационного воздействия на галактики и о существовании темной энергии из-за ее антигравитационного воздействия на расширение Вселенной. Что если предположение, лежащее в основе этих двойственных выводов - что мы знаем, как работает гравитация - неверно? Может ли теория вселенной даже более диковинная, чем та, которая утверждает, что темная материя и темная энергия являются объяснением? Чтобы выяснить это, ученые проверяют гравитацию не только по всей вселенной, но и по всей поверхности стола. До недавнего времени физики не измеряли гравитацию на очень близких расстояниях.
«Удивительно, не правда ли?» - говорит Эрик Адельбергер, координатор нескольких гравитационных экспериментов, проводимых в лаборатории Вашингтонского университета в Сиэтле. «Но это не было бы удивительно, если бы вы попытались это сделать» - если бы вы попытались проверить гравитацию на расстояниях меньше миллиметра. Проверка гравитации - это не просто установка двух объектов близко друг к другу и измерение притяжения между ними. Все виды других вещей могут оказывать гравитационное влияние.
«Здесь есть металл», - говорит Адельбергер, указывая на ближайший инструмент. «Здесь есть склон холма», - махая к какой-то точке мимо бетонной стены, которая окружает лабораторию. «Там есть озеро». Есть также уровень грунтовых вод в почве, который меняется каждый раз, когда идет дождь. Затем происходит вращение Земли, положение Солнца, темной материи в основе нашей галактики.
За последнее десятилетие команда Сиэтла измерила гравитационное притяжение между двумя объектами на меньших и меньших расстояниях, вплоть до 56 микрон (или 1/500 дюйма), просто чтобы убедиться, что уравнения Эйнштейна для гравитации верны на самых коротких расстояниях., тоже. Пока они делают.
Но даже Эйнштейн признал, что его теория общей теории относительности не полностью объясняет вселенную. Последние 30 лет своей жизни он пытался примирить свою физику очень большого с физикой очень маленького - квантовую механику. Он потерпел неудачу.
Теоретики придумали всевозможные возможности в попытке примирить общую относительность с квантовой механикой: параллельные вселенные, сталкивающиеся вселенные, пузырьковые вселенные, вселенные с дополнительными измерениями, вселенные, которые вечно воспроизводят, вселенные, которые отскакивают от Большого взрыва до Большого Хруста в Большом взрыва.
Адам Рисс, астроном, который сотрудничал с Брайаном Шмидтом в открытии темной энергии, говорит, что он каждый день смотрит на интернет-сайт (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph), где ученые публикуют свои анализы, чтобы увидеть, какие есть новые идеи там «Большинство из них довольно странные», - говорит он. «Но возможно, что кто-то выступит с глубокой теорией».
Несмотря на все свои успехи, астрономия оказывается работающей в неверном, хотя и разумном, допущении: то, что вы видите, это то, что вы получаете. Теперь астрономам приходится приспосабливаться к идее, что вселенная не является частью нас самих - в великой схеме вещей, нашего вида, нашей планеты и нашей галактики и всего, что мы когда-либо видели, как физик-теоретик Лоуренс Краусс из Университета штата Аризона сказал, "немного загрязнения".
Все же космологи, как правило, не обескуражены. «Действительно сложные проблемы велики, - говорит Майкл Тернер, - потому что мы знаем, что им потребуется сумасшедшая новая идея». Как сказал на недавней конференции по темной энергии Андреас Альбрехт, космолог из Калифорнийского университета в Дэвисе: «Если вы поставите график истории науки передо мной, и я смогу выбрать любое время и область, это то место, где я бы хотел быть».
Ричард Панек написал об Эйнштейне для Смитсоновского института в 2005 году. Его книга о темной материи и темной энергии появится в 2011 году.
Майкл Тернер ввел термин «темная энергия» в 1998 году. Никто не знает, что это такое. (Предоставлено Майклом Тернером) 
Ученые, работающие на Южном полюсе, остаются в учреждении, опирающемся на сваях, которые поднимаются при накоплении снега. (Кит Вандерлинде / Национальный научный фонд) 
Инженер Дана Хрубс настраивает батарею на объекте Южного полюса. (Кейли Аллен / Национальный научный фонд) 
Из-за отсутствия полетов самолетов в самую темную половину года исследователи заботятся о себе, выращивая свежие овощи при искусственном освещении. (Брайен Барнетт / Антарктическое Солнце) 
Южный полюсный телескоп Антарктиды, расположенный далеко от постороннего света и погруженный в многомесячную темноту, является одним из лучших мест на Земле для наблюдения за остальной частью Вселенной. (Кит Вандерлинде / Национальный научный фонд) 
Короче говоря, Вселенная началась с Большого взрыва почти 14 миллиардов лет назад, быстро раздувалась и продолжает расширяться сегодня. (Научная команда НАСА / WMAP) 
По словам ученых, вместо того, чтобы замедляться, расширение ускоряется благодаря темной энергии. Эта карта горячих точек по всей детской вселенной показывает, где материя позже сконцентрировалась и породила галактики. (Научная команда НАСА / WMAP) 
Астрономы, такие как Рассет Макмиллан, используют гравитацию в своей охоте на темную энергию. (Гретхен Ван Дорен) 
Ученые из обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико неоднократно наводят лазерный луч на Луну и определяют время возвращения света на Землю, давая им расстояние до Луны с точностью до миллиметра. (Гретхен Ван Дорен / Консорциум астрофизических исследований) 
Мера гравитационного притяжения между Землей и Луной помогает астрономам определять темную энергию. (Том Мерфи) 
Астронавты поместили этот отражатель на Луну в 1969 году. (НАСА)
