Два пъти на ден, седем дни в седмицата, от февруари до ноември през последните четири години, двама изследователи са се слоели с термо бельо и връхни дрехи, с руно, фланела, двойни ръкавици, двойни чорапи, подплатени гащеризони и подпухнали червени парки, като се мумифицират докато не приличат на мъже близнаци Michelin. Тогава те излизат навън, търгувайки с топлината и модерните удобства на научна станция (фусбол, фитнес център, денонощна кафене) за минус 100 градуса по Фаренхайт, безпристрастен пейзаж, по-плосък от Канзас и едно от най-студените места на планетата. Те се тъпчат в тъмнината почти на миля, през плато от сняг и лед, докато не разберат, на фона на повече звезди, отколкото всеки наблюдател на задния двор със собствени ръце, силуета на гигантския диск на телескопа на Южния полюс, където те се присъединяват към глобални усилия за решаване на евентуално най-голямата загадка във Вселената: от какво е съставена повечето от нея.
Свързано съдържание
- Останалите фотографии на обречения южен полюс
В продължение на хиляди години нашият вид изучава нощното небе и се чуди дали нещо друго не е там. Миналата година отбелязахме 400-годишнината от отговора на Галилей: Да. Галилео тренира нов инструмент, телескопът, на небесата и видя предмети, които никой друг не беше виждал: стотици звезди, планини на Луната, спътници на Юпитер. Оттогава открихме повече от 400 планети около други звезди, 100 милиарда звезди в нашата галактика, стотици милиарди галактики отвъд нашата собствена, дори слабото лъчение, което е ехото на Големия взрив.
Сега учените смятат, че дори това екстравагантно преброяване на Вселената може да е толкова остаряло, колкото и космосът с пет планети, който Галилео наследи от древните. Астрономите събраха доказателства, че това, което винаги сме смятали за действителната вселена - аз, вие, това списание, планети, звезди, галактики, цялата материя в Космоса - представлява само 4 процента от това, което всъщност е там. Останалото те наричат, за да искат по-добра дума, тъмна: 23 процента е нещо, което наричат тъмна материя, а 73 процента е нещо още по-загадъчно, което наричат тъмна енергия.
„Имаме пълна инвентаризация на Вселената“, казва Шон Карол, космологът от Калифорнийския технологичен институт, „и няма смисъл.“
Учените имат някои идеи за това какво може да е тъмната материя - екзотични и все още хипотетични частици, но те едва ли имат представа за тъмната енергия. През 2003 г. Националният съвет за научни изследвания изброява „Каква е природата на тъмната енергия?“ Като един от най-належащите научни проблеми на следващите десетилетия. Ръководителят на комитета, който написа доклада, космологът от Чикагския университет Майкъл С. Търнър, отива по-далеч и класира тъмната енергия като „най-дълбоката мистерия в цялата наука“.
Усилието за разрешаването му мобилизира поколение астрономи в преосмисляне на физиката и космологията, за да се съперничи и може би да надмине революцията, която Галилео открива през есенната вечер в Падуа. Те се примиряват с дълбока ирония: самото зрение ни ослепи за почти цялата вселена. И признаването на тази слепота от своя страна ни вдъхнови да питаме, като че ли за първи път: Какъв е този космос, който наричаме дом?
Учените постигнаха консенсус през 70-те години, че вселената има повече, отколкото среща окото. При компютърни симулации на нашата галактика Млечния път теоретиците откриха, че центърът няма да се задържи - въз основа на това, което можем да видим от нея, нашата галактика няма достатъчно маса, за да поддържа всичко на мястото си. Докато се върти, той трябва да се разпадне, изхвърляйки звезди и газ във всяка посока. Или спирална галактика като Млечния път нарушава законите на гравитацията, или светлината, излъчвана от нея - от огромните светещи облаци газ и безбройните звезди - е неточно указание за масата на галактиката.
Но какво, ако някаква част от масата на галактиката не излъчва светлина? Ако спиралните галактики съдържаха достатъчно от такава мистериозна маса, тогава те може би се подчиняват на законите на гравитацията. Астрономите нарекли невидимата маса „тъмна материя“.
"Никой никога не ни е казвал, че цялата материя е излъчена", казва Вера Рубин, астроном, чиито наблюдения на въртенията на галактиката предоставят доказателства за тъмната материя. "Току-що предположихме, че е станало така."
Усилието за разбиране на тъмната материя определи голяма част от астрономията за следващите две десетилетия. Астрономите може да не знаят какво е тъмна материя, но извода за нейното присъствие им позволи да преследват по нов начин вечен въпрос: Каква е съдбата на Вселената?
Те вече знаеха, че Вселената се разширява. През 1929 г. астрономът Едвин Хъбъл е открил, че далечните галактики се отдалечават от нас и че колкото по-далеч са стигнали, толкова по-бързо те сякаш се отдалечават.
Това беше радикална идея. Вместо великолепния, вечно непроменен натюрморт, какъвто някога изглеждаше Вселената, всъщност беше жив във времето, като филм. Навийте филма за разширението и Вселената в крайна сметка ще достигне състояние на безкрайна плътност и енергия - това, което астрономите наричат Големия взрив. Но какво ще стане, ако удариш бързо напред? Как би приключила историята?
Вселената е пълна с материя и материята привлича друга материя чрез гравитацията. Астрономите разсъждават, че взаимното привличане сред всичко това трябва да забави разширяването на Вселената. Но те не знаеха какъв ще бъде крайният резултат. Дали гравитационният ефект би бил толкова силен, че Вселената в крайна сметка да се разтегне на определено разстояние, да се спре и да се обърне назад, като топка, хвърлена във въздуха? Или би било толкова леко, че Вселената ще избяга от схващането си и никога няма да спре да се разширява, като ракета, напускаща земната атмосфера? Или живеем във изключително балансирана Вселена, в която гравитацията осигурява скорост на разширяване на Златодокс нито прекалено бърза, нито твърде бавна - така че Вселената в крайна сметка да стигне до виртуален застой?
Ако приемем, че тъмната материя съществува и че законът на гравитацията е универсален, два екипа от астрофизици - единият, ръководен от Саул Пърлмутер, в Националната лаборатория на Лоурънс Беркли, а другият от Брайън Шмид, в Австралийския национален университет - с цел да определи бъдещето на Вселената. През 90-те съперникови екипи внимателно анализират редица взривяващи се звезди или свръхнови, използвайки тези необичайно ярки, краткотрайни далечни обекти, за да преценят растежа на Вселената. Те знаеха колко ярки трябва да се появяват свръхновите в различни точки от вселената, ако скоростта на разширяване е еднаква. Сравнявайки колко по-ярки са се появили действително свръхновите, астрономите решават, че могат да определят колко забавя разширяването на Вселената. Но за изненада на астрономите, когато погледнаха на половината път на Вселената, на разстояние шест или седем милиарда светлинни години, те откриха, че свръхновите не са по-ярки - и следователно по-близо - от очакваното. Те бяха по-тъмни - тоест по-далечни. И двата екипа стигнаха до заключението, че разширяването на Вселената не се забавя. Ускорява се.
Последиците от това откритие бяха важни: това означаваше, че доминиращата сила в еволюцията на Вселената не е гравитацията. Това е ... нещо друго. И двата екипа обявиха своите открития през 1998 г. Търнър даде прякора на "нещо": тъмна енергия. Той се залепи. Оттогава астрономите преследват мистерията на тъмната енергия до краищата на Земята - буквално.
„Южният полюс има най-суровата среда на Земята, но и най-доброкачествената“, казва Уилям Холзапфел, Калифорнийския университет в Бъркли астрофизик, който беше главен изследовател на място в Южния полюс телескоп (SPT), когато го посетих.
Той не се отнасяше за времето, макар че през седмицата между Коледа и Новата година - началото на лятото в Южното полукълбо - Слънцето светеше денонощно, температурите едва бяха в минус единичните цифри (и един ден дори се прекъсна нула ), а вятърът беше предимно спокоен. Холзапфел направи разходката от станцията на Южния полюс на Амундсен-Скот на Националната фондация за наука (хвърляне на снежна топка от традиционния сайт на самия полюс, който е маркиран с, да, полюс) до телескопа, облечен в дънки и обувки за бягане. Един следобед лабораторната сграда на телескопа се стопли така, че екипажът отвори врата.
Но от гледна точка на астронома, чак докато Слънцето залезе и остане надолу - от март до септември - Южният полюс стане „доброкачествен“.
„Това е шест месеца непрекъснати данни“, казва Холцапфел. По време на денонощната тъмнина на австралийската есен и зима телескопът работи нонстоп при безупречни условия за астрономия. Атмосферата е тънка (полюсът е на над 9 300 фута над морското равнище, 9 000 от които са ледени). Атмосферата също е стабилна, поради липсата на отоплителни и охлаждащи ефекти на изгряващо и залязващо слънце; полюсът има някои от най-спокойните ветрове на Земята и те почти винаги духат от същата посока.
Може би най-важно за телескопа, въздухът е изключително сух; технически Антарктида е пустиня. (Нарязаните ръце могат да отнемат седмици, за да се излекуват, и изпотяването не е всъщност хигиена, така че ограничаването на два душа седмично за запазване на водата не е много проблем. Както един ветеран от полюсите ми каза: „В момента, в който отидеш обратно през митницата в Крайстчърч [Нова Зеландия], тогава ще ви трябва душ. ”) SPT открива микровълни, част от електромагнитния спектър, който е особено чувствителен към водни пари. Влажният въздух може да абсорбира микровълните и да им попречи да достигнат до телескопа, а влагата излъчва собствено излъчване, което може да бъде неправилно разчетено като космически сигнали.
За да сведат до минимум тези проблеми, астрономите, които анализират микровълните и субмилиметровите вълни, направиха Южния полюс втори дом. Техните инструменти се намират в тъмния сектор, плътно струпване на сгради, където светлината и други източници на електромагнитно излъчване са сведени до минимум. (В близост се намират Тихият сектор, за сеизмологични изследвания и Секторът за чист въздух, за климатични проекти.)
Астрономите обичат да казват, че за по-девствени условия на наблюдение, те ще трябва да отидат в космоса - експоненциално по-скъпо предложение и такова, което НАСА по принцип не обича да следва, освен ако науката не може лесно да бъде направена на Земята. (Сателит с тъмна енергия е включен и изключен от чертожната дъска от 1999 г., а миналата година се върна „обратно в квадрат“, според един съветник от НАСА.) Поне на Земята, ако нещо не е наред с инструмент, нямате нищо “ няма нужда да командвате космическа совалка, за да я оправите.
Съединените щати поддържат целогодишно присъствие на полюса от 1956 г. и до този момент Антарктическата програма на Националната научна фондация на Американския антарктически живот се превърна в живот, така че, наука. До 2008 г. станцията се помещаваше в геодезичен купол, чиято корона все още се вижда над снега. Новата базова станция прилича на малък круизен кораб повече от отдалечен пост и спи повече от 150, всички в частни квартали. Чрез отворите, които очертават двата етажа, можете да обмислите хоризонт на хипнотично ниво като всеки океан. Новата станция почива на асансьори, които, докато се натрупва сняг, позволяват да се закачат две пълни етажи.
Снеговалежът в този ултра-сух регион може да е минимален, но този, който духа от краищата на континента, все още може да направи каша, създавайки една от по-светските задачи за зимния екип на SPT. Веднъж седмично през тъмните месеци, когато населението на станцията се свива до около 50, двамата изследователи на SPT на място трябва да се изкачат в 33-футовия микровълнов съд на телескопа и да го почистят чисто. Телескопът събира данни и ги изпраща на десктопите на далечни изследователи. Двамата „презимуващи“ прекарват дните си в работа върху данните, анализирайки ги така, сякаш са се прибрали. Но когато телескопът удари проблем и алармата на лаптопите им прозвучи, те трябва да разберат какъв е проблемът - бързо.
"Един час престой е хиляди долари загубено време за наблюдение", казва Кийт Вандерлинде, един от двата зимни сезона през 2008 г. „Винаги има малки неща. Вентилатор ще се счупи, защото там е толкова сухо, че всичкото смазване си отива. И тогава компютърът ще се прегрее и ще се изключи и изведнъж сме изчезнали и нямаме идея защо. ”В този момент средата може да не изглежда толкова„ доброкачествена ”. От март до октомври няма полети до или от Южния полюс (моторното масло на самолета би желатинизирало), така че ако зимните надлези не могат да оправят всичко, което е счупено, той остава счупен - което още не се е случило.
Повече от повечето науки, астрономията зависи от усещането за зрение; преди астрономите да преосмислят Вселената като цяло, първо трябва да измислят как да възприемат тъмните части. Познаването какво е тъмна материя би помогнало на учените да мислят за това как се образува структурата на Вселената. Знанието какво прави тъмната енергия би помогнало на учените да мислят за това как тази структура се е развила с течение на времето - и как тя ще продължи да се развива.
Учените имат няколко кандидати за състава на тъмната материя - хипотетични частици, наречени неутралино и аксиони. За тъмната енергия обаче предизвикателството е да разбере не какво е, а какво е това. По-специално, астрономите искат да знаят дали тъмната енергия се променя в пространството и времето или дали е постоянна. Един от начините за изследването му е измерване на така наречените барионни акустични трептения. Когато вселената все още е била в начален стадий, едва на 379 000 години, тя се охлажда достатъчно, за да може бариони (частици, направени от протони и неутрони), да се отделят от фотоните (пакети светлина). Това разделяне остави след себе си отпечатък - наречен космически микровълнов фон - който може да бъде открит и днес. Тя включва звукови вълни („акустични трептения“), които преминават през детската вселена. Пиковете на тези трептения представляват области, които са малко по-плътни от останалата част на Вселената. И тъй като материята привлича материята чрез гравитацията, тези региони станаха още по-плътни с напредването на Вселената, като се сляха първо в галактики, а след това в струпвания на галактики. Ако астрономите сравнят оригиналните космически микровълнови фонови трептения с разпределението на галактиките на различни етапи от историята на Вселената, те могат да измерят скоростта на разширяването на Вселената.
Друг подход за определяне на тъмната енергия включва метод, наречен гравитационно лещиране. Според теорията за общата относителност на Алберт Айнщайн светлинен лъч, пътуващ през космоса, се огъва поради гравитационното дърпане на материята. (Всъщност самото пространство се огъва и светлината просто продължава заедно за возенето.) Ако две клъстери от галактики лежат по една и съща линия на зрение, предният план ще действа като обектив, който изкривява светлината, идваща от фоновия клъстер. Това изкривяване може да покаже на астрономите масата на предния план. Чрез вземане на проби от милиони галактики в различни части на Вселената астрономите трябва да могат да преценят скоростта, с която галактиките са се сраснали в клъстери с течение на времето, а тази скорост от своя страна ще им каже колко бързо се е разширила Вселената в различни точки от своята история.
Телескопът на Южния полюс използва трета техника, наречена ефектът Суняев-Зелдович, наречена за двама съветски физици, която рисува върху космическия микровълнов фон. Ако фотон от последния взаимодейства с горещ газ в клъстер, той изпитва леко увеличение на енергията. Откриването на тази енергия позволява на астрономите да картографират тези клъстери и да измерват влиянието на тъмната енергия върху техния растеж през цялата история на Вселената. Това поне е надеждата. „Много хора в общността са разработили това, което според мен е здравословен скептицизъм. Казват: „Това е чудесно, но ни покажете парите“, казва Холцапфел. "И мисля, че след година или две ще бъдем в състояние да направим това."
Екипът на SPT се фокусира върху галактическите клъстери, защото те са най-големите структури във Вселената, които често се състоят от стотици галактики - те са един милион милиарда пъти повече от масата на Слънцето. Тъй като тъмната енергия тласка Вселената да се разширява, галактическите клъстери ще нарастват по-трудно. Те ще станат по-отдалечени една от друга, а Вселената ще стане по-студена и самотна.
Галактическите клъстери „са нещо като канарчета в въглищна мина по отношение на образуването на структура“, казва Холцапфел. Ако плътността на тъмната материя или свойствата на тъмната енергия се променят, изобилието от струпвания „би било първото нещо, което трябва да бъде променено.“ Телескопът на Южния полюс трябва да може да проследява галактическите клъстери във времето. „Можете да кажете:„ Преди толкова милиарди години, колко струпвания имаше и колко са сега? “, Казва Холзапфел. "И след това ги сравнете с вашите прогнози."
И все пак всички тези методи се предлагат с предупреждение. Те приемат, че ние достатъчно добре разбираме гравитацията, която е не само силата, противопоставяща се на тъмната енергия, но е основата на физиката през последните четири века.
Двадесет пъти в секунда лазерно високо в планините Сакраменто на Ню Мексико цели пулс светлина към Луната на 239 000 мили. Целта на лъча е един от три рефлектора с размер на куфар, които астронавтите Аполон засадиха на лунната повърхност преди четири десетилетия. Фотоните от лъча отскачат от огледалото и се връщат в Ню Мексико. Общо време за пътуване: 2, 5 секунди, повече или по-малко.
Това „повече или по-малко“ прави всичко различно. Чрез определяне на скоростта на пътуването на светлината изследователите в лунната операция на лунната обсерватория Apache Point (APOLLO) могат да измерват момента на мига на разстоянието Земя-Луна и да картографират орбитата на Луната с изключителна точност. Както в апокрифната история за изпускането на топките от Галилео от Наклонената кула в Пиза, за да се тества универсалността на свободното падане, APOLLO третира Земята и Луната като две топки, спускащи се в гравитационното поле на Слънцето. Марио Ливио, астрофизик от Научния институт за космически телескопи в Балтимор, го нарича "абсолютно невероятен експеримент." Ако орбитата на Луната прояви дори най-малкото отклонение от прогнозите на Айнщайн, учените може би трябва да преосмислят уравненията му - а може би дори и съществуване на тъмна материя и тъмна енергия.
"Засега Айнщайн се държи", казва един от водещите наблюдатели на APOLLO, астрономът Русет Макмилън, докато петгодишният й проект преминава половината точка.
Дори ако Айнщайн не се държеше, изследователите първо трябва да премахнат други възможности, като грешка в измерването на масата на Земята, Луната или Слънцето, преди да признаят, че общата относителност изисква коригиращ ефект. Въпреки това астрономите знаят, че приемат гравитацията за даденост на своя опасност. Те са заключили съществуването на тъмна материя поради нейното гравитационно въздействие върху галактиките и наличието на тъмна енергия поради нейните антигравитационни ефекти върху разширяването на Вселената. Ами ако предположението, което стои в основата на тези близнаци - че знаем как действа гравитацията - е погрешно? Може ли една теория за Вселената дори да е по-странна от тази, представяща тъмна материя и тъмна енергия? За да разберат, учените тестват гравитацията не само във вселената, но и през плота. Доскоро физиците не измерваха гравитацията в изключително близки граници.
„Удивително, нали?“, Казва Ерик Аделбергер, координатор на няколко гравитационни експеримента, провеждани в лаборатория в Университета на Вашингтон, Сиатъл. „Но не би било удивително, ако се опитате да го направите“ - ако се опитате да тествате гравитацията на разстояния, по-къси от милиметър. Тестването на гравитацията не е просто въпрос на поставяне на два предмета един до друг и измерване на привличането между тях. Всякакви други неща може да окажат гравитационно влияние.
"Тук има метал", казва Аделбергер и посочва инструмент наблизо. „Тук има хълм“ - махайки към някаква точка покрай бетонната стена, която обгражда лабораторията. "Там има езеро." В почвата има и нивото на подземните води, което се променя всеки път, когато вали. Тогава има въртене на Земята, положението на Слънцето, тъмната материя в сърцето на нашата галактика.
През последното десетилетие екипът на Сиатъл измерва гравитационното привличане между два обекта на по-малки и по-малки разстояния, до 56 микрона (или 1/500 от инч), само за да се увери, че уравненията на Айнщайн за гравитацията са верни на най-късите разстояния, също. Засега го правят.
Но дори Айнщайн призна, че неговата теория за общата относителност не обяснява изцяло Вселената. Той прекара последните 30 години от живота си, опитвайки се да съгласува своята голяма физика с физиката на много малките - квантова механика. Той се провали.
Теоретиците излязоха с всякакви възможности в опит да съгласуват общата теория на относителността с квантовата механика: паралелни вселени, сблъскващи се вселени, балонни вселени, вселени с допълнителни измерения, вселени, които вечно се възпроизвеждат, вселени, които отскачат от Големия взрив до Големия крах до Голям Bang.
Адам Риес, астроном, който си сътрудничи с Брайън Шмид при откриването на тъмната енергия, казва, че всеки ден се оглежда в интернет сайт (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph), където учените публикуват своите анализи, за да видят какви са новите идеи там. "Повечето от тях са доста причудливи", казва той. „Но е възможно някой да излезе с дълбока теория.“
При всичките си постижения астрономията се оказва, че работи при неправилно, ако е разумно, предположение: това, което виждате, е това, което получавате. Сега астрономите трябва да се адаптират към идеята, че Вселената не е нещата от нас - в голямата схема на нещата, нашият вид и нашата планета и нашата галактика и всичко, което някога сме виждали, е теоретичният физик Лорънс Краус от Аризонския държавен университет е казал: „малко замърсяване.“
И все пак космолозите не са обезкуражени. „Наистина тежките проблеми са големи“, казва Майкъл Търнър, „защото знаем, че ще им е необходима луда нова идея.“ Както каза на неотдавнашна конференция за тъмната енергия Андреас Албрехт, космолог от Калифорнийския университет в Дейвис: "Ако поставите времевата линия на историята на науката пред мен и аз бих могъл да избера всяко време и поле, това бих искал да бъда."
Ричард Панек пише за Айнщайн за Smithsonian през 2005 г. Книгата му за тъмната материя и тъмната енергия ще се появи през 2011 г.
Майкъл Търнър измисли термина "тъмна енергия" през 1998 г. Никой не знае какво е. (С любезното съдействие на Майкъл Търнър) 
Учените, работещи на Южния полюс, пребивават в съоръжение, почиващо на кокили, които са издигнати, докато се натрупва сняг. (Кийт Вандерлинде / Национална научна фондация) 
Инженер Дана Хрубес настройва батерия в съоръжението на Южния полюс. (Calee Allen / Национална научна фондация) 
Без полети на самолети през най-тъмната половина на годината, изследователите се грижат за себе си, отглеждайки пресни зеленчуци под изкуствена светлина. (Бриен Барнет / Антарктическото слънце) 
Далеч от външна светлина и потънал в месечна тъмнина, телескопът на Южния полюс на Антарктида е едно от най-добрите места на Земята за наблюдение на останалата част от Вселената. (Кийт Вандерлинде / Национална научна фондация) 
Накратко, Вселената започва с Големия взрив преди близо 14 милиарда години, бързо се надува и продължава да се разширява и до днес. (НАСА / WMAP Научен екип) 
Вместо да се забави, казват учените, разширяването се ускорява, водено от тъмната енергия. Тази карта с горещи точки в детската вселена показва къде материята по-късно се концентрира и е породила галактики. (НАСА / WMAP Научен екип) 
Астрономи като Russet McMillan използват гравитацията в своя лов на тъмна енергия. (Гретхен Ван Дорен) 
Учените от обсерваторията Точка Apache в Ню Мексико многократно насочват лазерен лъч към Луната и времето за връщането на светлината към Земята, давайки им разстоянието на Луната до милиметър. (Гретхен Ван Дорен / Консорциум за астрофизични изследвания) 
Измерването на гравитационното дърпане между Земята и Луната помага на астрономите да определят тъмната енергия. (Том Мърфи) 
Астронавтите поставиха този рефлектор на Луната през 1969 г. (НАСА)
