Джон Гриббин - 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего
Гут понял, что при создании Вселенной в первую долю секунды произошел процесс, называемый нарушением симметрии, и в его рамках – фазовый переход, подобный тому, как пар конденсируется в воду и выделяет энергию. Именно мощное выделение энергии запустило процесс стремительного расширения – Гут назвал его инфляцией, буквально «раздуванием», – закончившийся Большим взрывом. (Инфляцию часто включают в понятие Большого взрыва, но важно понимать, что она предшествовала ему.) В процессе этого раздувания размер Вселенной увеличивался по экспоненте, удваиваясь каждую 10−38 долю секунды, то есть все в наблюдаемой нами Вселенной «надулось» из некоего первичного состояния в миллиард раз меньше протона до размера баскетбольного мяча примерно за 10−30 секунды (при этой скорости за примерно такой же срок теннисный мячик мог бы увеличиться до размеров видимого космоса). И только тогда произошел Большой взрыв[183]. Видимая нами Вселенная столь однородна потому, что она образовалась из столь крохотного состояния, в котором не было условий для разницы плотностей. Эта модель также решает и проблему плоскостности: инфляция уплощает Вселенную таким же образом, как становится плоской поверхность надуваемого шарика или любой другой растущей сферы. Поверхность теннисного мячика, представляющая собой двухмерный объект, обернутый вокруг третьего измерения, явно имеет круглую форму, но если мы надуем его до размеров видимой Вселенной и попытаемся исследовать его поверхность, то никакие измерения не смогут заметить ее отклонение от плоскостности. То же происходит и с реальной Вселенной (только в трех, а не в двух измерениях[184]). Само же первичное состояние в рамках этой модели может объясняться так называемой квантовой флуктуацией – небольшим искажением ткани пространственно-временного континуума, которое не успело исчезнуть и подверглось инфляции.
В довершение всего во время инфляции в зарождающейся Вселенной возникают новые квантовые флуктуации, которые тоже подвергаются инфляции, оставляя рябь на структуре материи, с которой затем происходит Большой взрыв. Эта рябь, часто именуемая анизотропией, становится зачатком таких структур, как галактики (точнее, скопления и сверхскопления галактик), и она должна была оставить свой след в реликтовом излучении. Если попытаться отследить историю Вселенной, основываясь на флуктуациях наблюдаемого сегодня излучения, надо ориентироваться на разницу в температуре этого излучения в разных частях неба. Она составляет примерно одну стотысячную часть, то есть для температуры около 2,7 К колебания составят ±0,00003 К. Если же идти от теории инфляции, можно предсказать, где именно на небе будут видны следы этих «раздутых» квантовых флуктуаций. Инфляция должна была оставить на небосклоне явный отпечаток, если только у нас есть достаточно точные датчики, чтобы уловить его. Неудивительно, что «РЕЛИКТ-1» (кстати, «РЕЛИКТ-2» так и не был запущен) не сумел зафиксировать эти тончайшие отклонения. Но уже у следующего спутника, запущенного для изучения реликтового излучения, были более чувствительные датчики.
Спутник COBE (COsmic Background Explorer – исследователь космического фона) был запущен НАСА в ноябре 1989 года. Даже небольшие по масштабу радиочастотные датчики удобнее размещать на орбите, а не вести наблюдения с Земли: так проще устранить помехи от газа и пыли Млечного Пути. На коротких длинах волн (вплоть до инфракрасных) эти помехи слабее, но там вступают в игру водяные испарения, наполняющие нашу атмосферу. Они мешают излучению достичь поверхности Земли. Поэтому спутники наблюдения приобретают в чувствительности намного больше того, что теряют, уменьшившись в размерах относительно земных телескопов. (Кстати, по той же причине обсерватории располагают на вершинах гор, либо в холодном сухом воздухе Антарктики, либо поднимают аппаратуру на воздушных шарах.)
Первые наблюдения COBE показали, что спектр реликтового излучения представляет собой кривую излучения идеального черного тела, соответствующего температуре в 2,725 К. Результаты были представлены на встрече Американского астрономического общества 13 января 1990 года. Когда Джон Матер[185], основатель проекта СОВЕ, открыл слайд, демонстрирующий впечатляющую согласованность теории и наблюдений, аудитория разразилась овацией. Но это было лишь начало[186]. Предстояло проделать большую, трудоемкую работу.
На сканирование всего неба у датчиков на спутнике ушло больше года: каждый из трех приборов произвел 70 миллионов измерений. На анализ полученных данных и объединение измерений в единую карту неба, отображающую колебания температуры реликтового излучения, коллективу проекта понадобилось несколько месяцев. Наконец в 1992 году они объявили, что такие колебания действительно существуют: самые «горячие» точки неба на три стотысячных градуса теплее, а «холодные» холоднее среднего. Эти колебания однородны: например, нельзя сказать, что крупные горячие точки теплее малых, и так далее. Наблюдения в точности соответствовали предсказаниям о виде и размере тех флуктуаций, которые должны были отпечататься на Вселенной в момент инфляции, доказывая присутствие в первый период существования Вселенной небольших неоднородностей в плотности материи (из которых затем образовались скопления галактик). Вселенная оказалась не такой уж и идеальной. Что же еще могли обнаружить исследования реликтового излучения? Успех миссии СОВЕ спровоцировал ряд нацеленных на более подробное изучение экспериментов на земле, в стратосфере и космосе. Но подобные проекты всегда занимают много времени: так, Матер задумал СОВЕ еще в 1974 году, всего через десять лет после открытия реликтового излучения и за пятнадцать лет до реального запуска спутника. Поэтому за время планирования проектов наши представления о Вселенной порой успевали измениться.
Темная сторона
Астрономы (по крайней мере, некоторые из них) еще с 1930-х годов знали, что далеко не все во Вселенной подвластно нашему зрению. Но лишь в конце XX века они поняли, что на самом деле то, что мы можем увидеть и из чего состоим мы сами, так называемая барионная материя[187], составляет лишь незначительную часть Вселенной.
В 1930-х голландский астроном Ян Оорт[188] изучал движение звезд в пределах Млечного Пути и нашел свидетельства того, что материя в нем далеко не ограничивается той видимой, из которой состоят звезды. Светила, подобные Солнцу, движутся по приближенным к окружности орбитам вокруг центра Галактики, внутри диска Млечного Пути, сдвигаясь в рамках этих орбит то кверху, то книзу, иногда выходя из основной массы галактики и возвращаясь в нее. Движение отдельных звезд нельзя изучать на протяжении тысяч лет, но, как обычно, можно попытаться сделать это с помощью статистики распределения звезд и их скоростей. А эта статистика говорит о том, что движение ярких звезд определяется не только притяжением других светил, но и некой невидимой, темной материи. В 1930-е годы никто не придал этому большого значения, поскольку предполагалось, что между звездами много газа и пыли. Но сейчас мы знаем, что этот тип темной материи, по сути близкий к тому, из чего состоим мы (барионная материя – то же, что атомная, то есть включающая протоны, нейтроны и электроны), имеет примерно ту же массу, что и все яркие звезды в Галактике. Но даже эта масса недостаточна для объяснения движения звезд Млечного Пути.
Проводя исследования в намного более крупном масштабе, швейцарский астроном Фриц Цвикки[189], работавший в те же годы в Калтехе, получил доказательства существования темной материи путем изучения скоплений галактик. Массу можно предсказать по яркости галактики, а та зависит от числа входящих в нее звезд. Сложив массы галактик, получаем массу всего скопления. Скорости взаимного движения отдельных галактик в скоплении определяются по доплеровскому эффекту (за вычетом космологического красного смещения для всего скопления). Цвикки указал, что во многих скоплениях галактики движутся быстрее, чем допустимо для поддержания единства скопления с помощью гравитации. Такие скопления давно, еще в начале существования Вселенной, должны были разлететься на отдельные галактики; видимо, их держит вместе большое количество также невидимой темной материи, содержащейся в скоплении. И вновь никто (кроме самого Цвикки) не задумывался над этим открытием до самых 1960-х годов. Даже в то время, когда я был студентом, ученого все еще считали несколько одержимым темной материей, хотя его работы по другим темам были весьма авторитетны. Это объясняется тем, что вплоть до 1960-х годов модель Большого взрыва не была общепризнанной. Кроме того, считалось, что причиной обнаруженных Цвикки явлений могут оказаться невидимые, но привычные объекты, например тусклые звезды – коричневые карлики, облака газа или многочисленные планеты типа Юпитера. Однако по мере признания теории Большого взрыва и особенно после выяснения Хойлом и коллегами деталей ядерного синтеза в его рамках во второй половине 1960-х ситуация начала меняться.
