Крупномасштабная структура

В 1980-е годы, пока специалисты по астрофизике частиц носились с невероятной идеей о том, что Вселённая увеличилась на множество порядков в течение первой мельчайшей доли секунды, астрономы-наблюдатели делали свои открытия: то, что находили в космосе их новые телескопы, оказалось невероятным.

В 70-е годы XX века Вселенную в общем виде представляли в форме более или менее однородного распределения скоплений галактик, движущихся друг от друга по единому принципу вследствие расширения Вселенной по закону Хаббла. Но к началу 1980-х начали накапливаться данные, свидетельствующие о том, что тысячи галактик в области пространства, равной миллионам световых лет, проявляют небольшие, но поддающиеся измерению отклонения от лучевой скорости разбегания, которую, как ожидалось, придает им расширение Вселенной. Движение галактик в нашем местном скоплении, похоже, направлено в сторону области, которая находится примерно в 200 млн. световых лет от нас, в центре сверхскопления Гидры — Центавра. Эта точка получила название Великий аттрактор^{255}.

В течение нескольких лет в распределении скоплений, сверхскоплений (скоплений скоплений) и комплексов сверхскоплений были обнаружены другие неожиданные структуры. В 1987 году мой коллега по Гавайскому университету Брент Талли наблюдал нитевидную структуру длиной 1 млрд. световых лет и шириной 150 млн. световых лет, которую он назвал комплексом сверхскоплений Рыб — Кита. Он состоит из пяти сверхскоплений общей массой в 10¹⁸ раз больше массы Солнца, включая сверхскопление Девы, масса которого равна 10¹⁵ солнечным массам, частью которого мы являемся.

Как мы уже знаем: измерение расстояний всегда было серьезным испытанием для астрономов. Они разработали так называемую лестницу космических расстояний. Она представляет собой набор методов, каждый из которых применяется до некоторого предельного расстояния, после чего вступает в силу следующий. Методы в достаточной степени перекрывают друг друга, так что с помощью одного из них можно уточнить показания, полученные с помощью другого.

Не думаю, что стоит подробнее описывать эти методы. Я уже рассказал вам о способе определения расстояний по параллаксу, который используется для звезд, расположенных близко — на расстоянии до сотни световых лет, и об определении расстояний по цефеидам, что работает для галактик, расположенных на расстоянии до 13 млн. световых лет от Земли. В 1977 году Талли в соавторстве с Ричардом Фишером опубликовал новый метод определения расстояний до спиральных галактик, который заключается в определении зависимости между внутренней светимостью галактики и скоростью ее вращения^{256}. Как и в случае с другими методами, вы определяете расстояние, измеряя наблюдаемую на Земле светимость, и предполагаете, что она падает до наблюдаемого значения пропорционально квадрату расстояния до объекта. С помощью этого и других методов Талли и Фишер создали атлас галактик, названных ими близкими^{257}.

Но, по сути, красное смещение остается самым точным методом измерения, доступным астрономам, и с помощью закона Хаббла все еще можно получить приближенные значения расстояний. Новейший период в истории астрономии ознаменовался масштабными исследованиями красных смещений галактик, благодаря которым была обнаружена впечатляющая паутинообразная структура видимой части Вселенной.

Первое масштабное исследование красных смещений началось в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, CfA) в 1977 году и завершилось в 1982-м. Еще одно такое исследование проводилось в CfA с 1985 по 1995 год. На основании этих данных Маргарет Геллер и Джон Хукра в 1989 году открыли нить из галактик, красные смещения которых свидетельствовали о том, что она находится на расстоянии примерно 200 млн. световых лет, ее длина составляет 500 млн. световых лет, ширина — 300 млн. световых лет, а толщина — 16 млн. световых лет. Эту структуру назвали Великой стеной CfA2.^{258} Как мы увидим в следующей главе, с 2000 года проводилось и проводится огромное количество масштабных исследований красных смещений галактик.

В сущности, число галактик видимой Вселенной составляет от 100 млрд. до, возможно, целого триллиона. Астрономы объединяют эти галактики в группы, скопления, сверхскопления, листы, нити и стены. Их разделяют так называемые войды диаметром от 30 до 500 млн. световых лет, в которых находится очень мало галактик. В 2013 году Брент Талли с коллегами создали достойное внимания видео, в котором наглядно показана эта структура^{259}.

Тем не менее необъятность, красота и многокомпонентность структуры, которую мы наблюдаем невооруженным глазом и при помощи телескопов, создают ложное впечатление, что космос очень сложно организован, а значит, является результатом в высшей степени замысловатого плана. На самом деле Вселенная в целом довольно проста и организована по большей части случайным образом. Из 99,5% невидимой и не имеющей четкой организации массы Вселенной 69% темной энергии не входят ни в какие структуры, а 26% темной материи не определены столь точно, как видимые объекты, которые она окружает. Более того, численно во Вселенной преобладают фотоны и нейтрино, количество которых в миллиард раз больше, чем атомов. При этом примерно одна из 100 000 этих частиц движется совершенно случайным образом. Наша Вселенная отнюдь не похожа на проект высшего бесконечно разумного существа, скорее она выглядит как сумма вероятностей.

 

Инфляция и структура

Вначале считалось, что инфляционная модель только усугубила проблему структуры. В конце концов, одним из триумфов инфляционной модели стало объяснение необычайной однородности реликтового излучения. Тогда как же объяснить очевидную неоднородность окружающей нас видимой материи — галактик, звезд, планет, Скалистых гор?

Я уже отмечал, что еще до появления инфляционной космологии несколько авторов предположили, что формирование структуры Вселенной произошло вследствие первичных флуктуации плотности в ранней Вселенной. Но, не имея никаких данных о природе первичной материи, они могли только строить необоснованные догадки.

Инфляционные космологи осознали, что небольшие возмущения в плотности вещества, вызванные квантово-механическими нулевыми флуктуациями в инфлятонном поле, были усилены на много порядков в процессе инфляционного расширения и могли вызвать различия в плотности, необходимые для группирования вещества под воздействием гравитации и формирования галактик.

Используя различные инфляционные модели, космологи 1980-х пытались рассчитать различия в плотности, вызванные квантовыми флуктуациями в инфлятонном поле. Гут описывает организованный Стивеном Хокингом и Гэри Гиббонсом трехнедельный семинар по ранней Вселенной, проводившийся в Кембридже с 21 июня по 9 июля 1982 года, и то, как каждый предлагал свои оценки, большинство из которых были на много порядков ниже значений, необходимых для того, чтобы образовались галактики^{260}. Однако вскоре в работе, вышедшей в 1983 году, Джеймс Барден, используя новаторскую технику вычислений, не зависящую от модели, утверждал, что флуктуация плотности порядка 10^-3–10^-4 представляется вполне правдоподобной для инфляционной модели^{261}.

Несмотря на неопределенность порядка величин, ожидалось, что флуктуации в инфляционной модели будут хотя бы приблизительно масштабно-инвариантны. Эти флуктуации, как мы выяснили в главе 11, считаются необходимым условием для формирования структуры Вселенной. В простейшей модели, где инфлятонное поле представлено однородным скалярным полем в де-ситтеровской Вселенной, масштабная инвариантность следует из трансляционной инвариантности времени экспоненциального решения. Отдельные инфляционные модели намного сложнее, но все они дают в результате что-то очень близкое к масштабной инвариантности. На самом деле мы вскоре увидим, что эти модели, включая модель хаотической инфляции, предсказывают небольшое, но статистически значимое отклонение от масштабной инвариантности, которое становится еще одним рискованным испытанием для инфляционной модели.

В период инфляционного расширения крошечные квантовые флуктуации плотности инфлятонного поля увеличились на много порядков. Когда инфляция прекратилась, Вселенная представляла собой скопление горячего сверхплотного газа, состоящего из элементарных частиц, после чего наступила стадия более спокойного хаббловского расширения. Флуктуации заставили расширяющийся газовый шар вибрировать, испуская звуковые волны, которые начали распространяться во все стороны. Поскольку вибрирующая среда состояла преимущественно из фотонов, скорость звука обязана была равняться скорости света, деленной на √3. В более сложных моделях, о которых мы поговорим позже, скорость света может варьироваться по мере изменения соотношения между числом барионов и фотонов, позволяя тем самым вычислять их относительные доли.

По мере того как Вселенная продолжала расширяться и остывать, происходили разнообразные процессы, описанные в главе 10. В течение всего этого периода частицы были тесно связаны квазиравновесным состоянием с четко определенной температурой, которая понижалась по мере расширения Вселенной от значения 10²⁷ градусов, соответствующего концу стадии инфляции, в линейной зависимости, показанной в логарифмическом масштабе на графике, изображенном на рис. 10.2.

Вспомните искусственное разграничение, которое астрономы проводят между излучением и материей. И то и другое состоит из материальных частиц, но излучение имеет выраженные релятивистские свойства (v >> с), в то время как материя их не проявляет (v << c). Излучение состоит из фотонов, которые преобладали во Вселенной на протяжении 57 тыс. лет, из-за чего этот период называют эпохой преобладания излучения. Однако из-за красного смещения, вызванного расширением Вселенной, плотность энергии излучения падает быстрее, чем плотность энергии вещества, поэтому Вселенная перешла от эпохи преобладания излучения к эпохе преобладания материи. Как мы вскоре выясним, эпоха преобладания материи закончилась около 5 млрд. лет назад. С тех пор во Вселенной все сильнее доминирует так называемая темная энергия, по свойствам очень напоминающая космологическую постоянную, которая вызывает ускоряющееся расширение Вселенной.

Сейчас мы ведем речь о плотности массы/энергии, а не о численной плотности. В эпоху преобладания материи безмассовые фотоны и нейтрино с очень маленькой массой все еще численно превосходили другие виды частиц. Затем, на 380 000-м году, температура упала до значения, при котором могли образоваться атомы. Этот процесс называется рекомбинацией^[19]. Рекомбинация избавила Вселенную от большинства заряженных частиц, поскольку положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны нейтрализовали друг друга, образовав атомы. Кроме того, и это наиболее важно, поскольку не осталось таких заряженных частиц, с которыми могли бы сталкиваться фотоны, последние рассеялись среди оставшейся части Вселенной, ставшей для них прозрачной. За последующие 13,8 млрд. лет эти фотоны остыли до 2,725 К и сформировали космический микроволновой фон (реликтовое излучение), который мы наблюдаем сегодня.

В наши дни фотоны все еще численно превосходят атомы в соотношении 1 млрд/1. Нейтрино рассеялись намного раньше, на второй секунде, сформировав собственный реликтовый фон температурой 1,95 К. Хотя на каждый кубический сантиметр приходятся сотни нейтрино, они не вызывают измеримых эффектов (по крайней мере, на нынешнем уровне развития техники мы не можем их зафиксировать) и в общем случае не принимаются в расчет. Как мы вскоре выясним, они вряд ли являются составными частями темной материи.

Рассеяние фотонов привело также к тому, что давление света на материю, которое противодействовало гравитации и предотвращало коллапс, исчезло и смог начаться процесс формирования структуры Вселенной путем гравитационного слияния. Этому способствовала темная материя, которая была там все это время, но не участвовала в электромагнитных взаимодействиях; ранее удерживавших фотоны и заряженные частицы в состоянии равновесия. Итак, каким бы ни был вибрационный паттерн этого фотонного шара, в момент последнего рассеяния эти вибрации зафиксировались навсегда. Области более высокой плотности были горячее, а менее плотные — холоднее, так что температурные флуктуации в газе следовали за флуктуациями плотности. Сегодня этот паттерн можно увидеть в колебаниях температуры РИ в разных частях неба.

 

Возвращаясь к началу

К 80-м годам XX века осознание того, что РИ содержит информацию о самых первых моментах Вселенной, стимулировало множество попыток провести более точные измерения любых возможных отклонений от обнаруженного немногим ранее гладкого распределения этого излучения во всех областях неба. Инфляционная модель объясняла эту однородность, но она также предполагала существование небольших, примерно на уровне 0,00001 градуса, различий в температуре, или «морщин». Поиск этих анизотропии стал для инфляционной теории критическим испытанием, которое могло подтвердить ее или опровергнуть.

Одним из лидеров в области этих исследований стал Джордж Смут, специалист по физике элементарных частиц из Калифорнийского университета в Беркли. Работая вместе с нобелевским лауреатом Луисом Альваресом и другими учеными в Национальной лаборатории имени Лоуренса (в те годы я часто там бывал, занимаясь другими исследованиями), Смут и его коллеги разработали избирательный микроволновой радиометр, с помощью которого можно было измерить различие в температуре РИ, идущего из двух разных направлений.

В 1976 году этот прибор несколько раз брали на борт самолета-разведчика «Локхид У-2». В ходе таких полетов на скорости 600 м/с удалось зафиксировать различия в температуре, обусловленные движением Млечного Пути, воздействующим в том числе на наше Солнце и Землю сквозь фоновое поле реликтового излучения. Это так называемая дипольная анизотропия, заключающаяся в том, что под влиянием доплеровского эффекта частота РИ смещается в синюю сторону с той стороны, в которую мы движемся, и в красную — со стороны, от которой удаляемся^{262}.

В середине 1970-х Смут с коллегами предложили НАСА разработать спутник под названием СОВЕ (Cosmic Microwave Background Explorer — «Космический исследователь микроволнового фона»). Этот космический аппарат должен был нести на борту три основных прибора:

♦ избирательный микроволновой радиометр (Differential Microwave Radiometer, DMR), представляющий собой улучшенную версию предыдущего прибора Смута для измерения колебаний температуры РИ в различных областях неба на трех длинах волн: 3,3,5,7 и 95 мм;

♦ спектрофотометр в далеком инфракрасном диапазоне (Far-Infrared Absolute Spectrophotometer, FIRAS), измеряющий характеристики спектра в диапазоне длин волн 0,1–10 мм;

♦ многоволновой датчик для получения распределения излучения пыли по небесной сфере в инфракрасном диапазоне (Diffuse Infrared Background Experiment, DIRBE) для поиска космического инфракрасного фонового излучения в диапазоне длин волн 1,25–240 мкм.

После значительной задержки, вызванной катастрофой шаттла «Челленджер» и другими проблемами, 18 ноября 1989 года обсерватория СОВЕ была запущена с помощью ракеты-носителя «Дельта». Так началась следующая изумительная глава в познании космоса человеком.