Космолозите през 60-те години на миналия век са смятали, че са разбрали какъв ще е краят на Вселената и тогава неизвестна докторантка на име Беатрис Хил Тинсли преобръща всичко.

Представяме ви вълнуващата история как се променя перспективата на космолозите за бъдещето на нашата вселена благодарение на една млада жена от Нова Зеландия, разказана от Андрю Понцен в откъс от бюлетина на New Scientist "Изгубени в пространство-времето" (Lost in pace-Time):

Съдбата на Вселената някога изглеждаше толкова ясна. През следващите няколко милиарда години ще продължи да се разширява, както е било от зората на времето. След това гравитацията ще се бори обратно за контрола, започвайки период на свиване. 

Звездите, планетите и галактиките ще се приближават все повече и повече. В крайна сметка Вселената ще се свие в огромна черна дупка. Всичко ще свърши след седем милиарда години.

В това са били убедени космолозите през 60-те години. Но този консенсус ще бъде преодолян от неизвестната тогава докторантка Беатрис Хил Тинсли (Beatrice Hill Tinsley). Тя има съвсем различна гледна точка от мнозинството и успява да създаде някои от първите галактически симулации, за да докаже своята теза.

Когато Тинсли започва своята докторска степен, голяма част от това, което учените смятат, че знаят за съдбата на Вселената, идва от наблюдения, направени от астронома Алън Сандидж. Той използва най-големите телескопи в света, за да изследва галактики на няколко милиарда светлинни години от Земята, с една цел: да начертае разширяването на Вселената, използвайки скоростите и разстоянията на тези галактики.

Сандидж първо изчислява колко бързо се движи всяка галактика. След това, измервайки колко ярко изглежда в  телескопа, той преценява и колко е далеч. Всеки светещ обект изглежда по-ярък, когато е по-близо, и по-блед, когато е по-отдалечен – но извличането на точното му разстояние изисква да се знае колко му е присъщо да е ярък. В противен случай ярка далечна галактика може да бъде объркана със слаба галактика наблизо. Той заобиколя това, приемайки, че всички избрани от него галактики светят с еднаква интензивност.

Това се оказва голяма грешка. Въпреки това Сандидж уверено заключава от измерванията на скоростта на растеж на Вселената, че космическото разширение "ще спре след около 3 милиарда години, след което ще започне свиване". Вселената, предполага той, ще свърши след седем милиарда години с катаклизъм.

Междувременно Тинсли, изключителна талантлива студентка в родната си Нова Зеландия, търси начин да направи впечатление. През 1963 г. тя отива в Далас, Тексас. За да продължи собствените си изследвания, тя пътува 300 км до Остин, където успява да продължи астрономическите си изследвания и да завърши докторската си дисертация за удивително кратък срок.

В писмо до баща си, в което очертава идеите зад дипломната си работа, Тинсли разкрива как се е съмнявала в заключенията на Сандидж. Тя пише, че „изчисленията зависят и от това какви са били различните галактики по времето, когато светлината ги е напуснала, светлината, която сега достига до телескопите, не е задължително да е  същата като на близките им обекти".

Ако древните галактики не са светели по същия начин като галактиките днес, прогнозите на Сандидж за съдбата на космоса са погрешни.

Тезата на Тинсли тества предположението на Сандидж за постоянна яркост, използвайки симулации, които тя проектира, кодира и анализира. Целта е да се изчисли как се раждат, живеят и умират звездите – трудна задача дори днес.

Всяка звезда започва като облак от газ, носещ се в галактика. По-рано през този век физикът Джеймс Джийнс предполага (и това най-вероятно е така), че такива облаци са оформени от деликатно взаимодействие между силите на гравитацията и налягането, като гравитацията се притиска навътре, а налягането се изтласква навън.

Гравитацията в крайна сметка успява да направи плътно опакована топка, след което ядрените реакции се запалват и превръщат инертния газ в блестяща звезда. След това звездата навлиза в зрелия си живот, но продължава да променя цвета и яркостта си с течение на времето. След като изчерпи ядреното си гориво, може да умре в драматична експлозия. Най-ярките звезди живеят само няколко милиона години – един миг в мащаба на космическата история.

Да познаваш абстрактно жизнения цикъл на звездите не е същото като да можеш да го изчислиш с точност. Но Тинсли не е очаквала нейната симулация директно да се справи с това. Вместо да се опитва да направи подробно изчисление как звездите се създават от отделни облаци, тя инструктира компютъра, така че, осреднен за цяла галактика, газът се превръща в звезди с постоянна, бавна скорост, която може да бъде определена и коригирана на ръка. Тя съчетава начина, по който отделните звезди пламват, остаряват и умират от съществуващите изчисления с писалка и хартия. Компютърът просто трябвало да събере ефектите от всички звезди, образувани по време на живота на всяка симулирана галактика.

Въпреки своята простота, тези симулации са били достатъчно мощни, за да докажат, че Сандидж греши.

Каквото и да опитва Тинсли, не е имало начин да създаде галактики, които да светят с еднаква яркост през целия им живот. Поддържането на галактиките стабилни би изисквало образуването на нови звезди с точно определена скорост, за да заменят умиращите. Това обаче би предполагало звезди, които са с различен цвят от тези, които в действителност се виждат през телескопите. Тинсли пише в дисертацията си, че разбирането на произхода и съдбата на Вселената "сега изглежда по-трудно, отколкото се смяташе преди, поради ефектите от галактическата еволюция".

Майсторският ход в работата на Тинсли е, че нейните симулации не дават окончателен отговор за това как галактиките са се формирали и променяли във времето – и това е добре. Тя не се е стараела да получи един единствен правилен резултат. Тя е знаела, че това няма да е възможно, като се имат предвид всички свързани сложности. Вместо това тя показва, че предположението на Сандидж за непроменливи галактики е несъстоятелно .

Приятелите на Сандидж казват, че той е бил дълбоко разстроен. В съзнанието му една новачка несправедливо се опитва да унищожи изследванията му.

В лекция през 1967 г. в Оксфорд той твърди, че твърденията на Тинсли са "фалшиви“. Но Тинсли е знаела, че е права и отговоря с още по-подробна техническа документация, показваща, че Сандидж е този, който греши. С течение на времето нейните симулации и силни аргументи печелят подкрепата на космолозите.

Днес вярваме на точно обратното на твърдението на Сандидж: Вселената всъщност ще се разширява завинаги, доколкото може да се каже.

Един добър урок от работата на Тинсли е, че симулациите все още могат да обърнат представите ни за Вселената, без да са напълно точни. Днешните свръхсложни суперкомпютри могат да осигурят привидно фотореалистични резултати, но всъщност все още има огромни несъответствия между реалните галактики и нашите човешки копия.

Просто нямаме изчислителната мощност, за да направим всичко правилно.

"По време на моята докторска степен в средата на 2000-те това разкритие ме остави в недоумение. Използвах симулации, за да разбера ефектите от тъмната материя и тъмната енергия – постулирани невидими вещества, които извайват видими галактики чрез гравитацията", разказва авторът Андрю Понцен.

Първоначално той е развълнуван от важните твърдения, направени с помощта на тези симулации, но когато осъзнава основните им слабости, се разочарова.

"Вярно е, че съвременните симулации могат лесно да бъдат продадени. Колкото по-добре изглеждат, когато се рендват във великолепно 3D видео, толкова по-голям е рискът да загърбим недостатъците им. Но само ако бях започнал с четене на Тинсли, щях да си спестя малко тревоги. Необходими са грижи и експертиза, но през десетилетията след преждевременната й смърт през 1981 г. изследователите многократно са показвали, че симулациите, дори доста елементарни, могат да разкрият изненадващи истини за нашата вселена", заключава Понцен.

Източник: How the end of the universe was completely rewritten, Andrew Pontzen, New Scientist

Още по темата

19/09/2023

Космос

"Джеймс Уеб" задълбава проблема с разширяването на Вселената

17/07/2023

Космос

Нов космологични модел на Вселената й дава възраст 26,7 млрд години, двойно повече от досега

12/07/2023

Космос

Дали времето е текло бавно в ранната Вселена или ние бягаме бързо?

10/07/2023

Космос

Несъответствие на тъмната материя: Конфликт в Стандартния космологичен модел