Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Пятна в реликтовом излучении никто не замечал до 1992 года, пока астрофизик Джордж Смут не продемонстрировал данные, полученные со спутника СОВЕ. Смут двадцать лет искал эти пятна, поэтому неудивительно, что он позволил себе следующее высказывание: «Что ж, если вы религиозны, то это все равно что увидеть лицо Бога».

С тех пор внимание к пятнам становилось все более пристальным. А самые точные данные мы получили с европейского спутника «Планк». Взгляните на измерения «Планка» на рисунке.

^{Карта микроволн от Большого взрыва, наблюдаемых спутником Планк. Карта показывает излучение со всего неба. Красный цвет указывает на участки немного горячее среднего, а синим отмечены более холодные участки.}

Похоже это на лицо Бога или нет, судить не берусь. Многих, возможно, возмутит, что изображение реликтового излучения выглядит так скучно, особенно если сравнивать с фантастичными фотографиями космоса. Если бы мы посмотрели на это изображение в серых тонах, то оно больше всего напоминало бы белый шум, который иногда возникает во время переключения каналов на старинном телевизоре. И ведь на самом деле: реликтовое излучение виновато примерно в одном проценте телевизионных помех.

Но картинка, которая, на первый взгляд, кажется скучными помехами, сразу же становится гораздо интересней, стоит только вспомнить, на что конкретно мы смотрим. Изображение показывает нам чрезвычайно подробную карту всей небесной сферы и представляет фотографию Вселенной, которой на тот момент, когда рассеялась первичная туманность, было лишь 380 000 лет. Это невероятно точный портрет нашей Вселенной в младенчестве.

В то время, как я уже упоминал, первые звезды и галактики еще не образовались. Вселенная состояла из газа, рассеянного практически равномерно. Но и в этом газе были отдельные области с плотностью как на десятитысячную долю выше среднего, так и ниже. Впоследствии, когда прошло достаточно времени, а Вселенная повзрослела, силы гравитации заставили плотные области сжиматься все сильнее и сильнее и поглощать все больше и больше материи из окружающих областей. Постепенно накопилось достаточно вещества для образования галактик и скоплений галактик, звезд и планет, людей и кофейных чашек. Таким образом, крошечные неоднородности реликтового излучения стали семенами, из которых впоследствии произросло все, что существует вокруг нас.

Семенами я называю области с несколько иной плотностью материи во Вселенной. На карте от «Планка» мы видим, что у излучения есть температура, которая меняется при наблюдении разных мест на небе. Почему разная температура говорит о разной плотности? Представьте себе световую волну, исходящую из места с высокой плотностью. Она стремится убежать из места с внушительными гравитационными силами. Чтобы уйти из такого места, излучение должно бороться с силой тяжести. Подобно тому, как мяч теряет скорость, когда вы подбрасываете его вверх в воздух, борясь с гравитацией Земли, световая волна так же теряет энергию, когда движется против сил гравитации. Световая волна, утратившая энергию, становится более длинной, а большие длины волн соответствуют более низкой температуре.

Вывод из этого следующий: голубые и красные пятна на карте «Планка» позволяют взглянуть на разницу в плотности Вселенной-младенца. И эта карта пятен важна для нас сразу по двум причинам. Во-первых, она дает возможность разобраться, из чего вообще должна была состоять Вселенная, чтобы за 380 000 лет образовался такой узор из пятен. Во-вторых, можно сравнить эту фотографию с тем, что мы видим вокруг себя сегодня. А еще зададим себе вопрос: какие ингредиенты нужно было добавить во Вселенную и каких физических законов придерживаться, чтобы этот узор из пятен превратился в знакомые нам галактики и скопления галактик? Пятна без столкновений

Можно бесконечно вглядываться в карту реликтового излучения, но, как ее ни крути, информации о молодой Вселенной там не особо много. Ну разве что мы точно узнаем, что космос — местечко крайне захламленное. Поэтому нам придется прибраться.

А это прекрасная возможность немного поговорить о рыбе. Допустим, вы наловили сельдей и расположили их в бочке так, что они тютелька в тютельку заняли все дно. Вы знаете, что ваша подруга, биолог Будиль, как раз специализируется на селедке и интересуется ее размерами и видами, и поэтому вы хотите описать рыбу наиболее простым, но в то же время креативным способом. Как бы это сделать? Один из способов описать улов — это последовательно описывать все, что видите: «Сначала слева виднеется голова, над ней возвышается спинной плавник, прерываемый анальным плавником, направленным вправо…» М-да. Такое описание было бы ужасно длинным и совершенно неинтересным. Вместо этого вы описываете улов так: «Селедка длиной 10–15 см: 3 шт.; 15–20 см: 7 шт.; 20–25 см: 18 шт.» и так далее. Получается, всего несколько цифр — и сердце вашей подружки-биолога растоплено.

И то же самое мы делаем с картой реликтового излучения. Вместо того, чтобы разглядывать отдельные замысловатые пятна, мы смотрим на карту, которая состоит из пятен разного размера. С помощью карты можно определить количество этих пятен, а затем попытаться выяснить, какая именно Вселенная нам нужна, чтобы получилось нужное количество пятен разного размера. Ведь различным параметрам Вселенной будут соответствовать различные параметры пятен.

Пятна на реликтовом излучении свидетельствуют о настоящем шторме из гравитационных волн в ранней Вселенной. Области с высокой плотностью, как мы помним, начали сжиматься. А что происходит, когда газ сжимается? Ну, все зависит от того, из чего он состоит.

Давайте для начала представим, что газ состоит из обычной материи. Область с обычной материей, сжавшуюся в молодой Вселенной, можно сравнить с кучей футбольных мячей, которые вы сбрасываете с обеих сторон рампы для скейтборда. Снизу рампы мячи будут сталкиваться и снова разлетаться в разные стороны, перед тем как снова столкнуться. Но при каждом столкновении мячи будут терять часть энергии, и после нескольких раундов все мячи окажутся снизу, лишь изредка покачиваясь.

А что произойдет, если эти уплотняющиеся области будут состоять из темной материи? Тогда футбольные мячи пройдут друг дружку насквозь не врезаясь. Из-за отсутствия столкновений мячи бы продолжили снова и снова кататься по рампе, вместо того чтобы рано или поздно остановиться снизу. Этот механизм можно сравнить с тем, что мы наблюдали во вращающихся галактиках. Столкновения в обычной материи заставляют ее скапливаться в центре, в то время как несталкивающая ся темная материя собирается вокруг. Я не буду здесь подробно расписывать, каким образом отсутствие столкновений скажется на размере пятен, но, надеюсь, ясно, почему существуют различия.

График на следующей странице демонстрирует измерения со спутника «Планк», где пятна отсортированы по размеру, совсем как рыба для подружки-биолога. Слева — самые большие пятна, а по мере движения вправо пятна становятся все меньше и меньше. Высота кривой показывает количество пятен того или иного размера. Например, мы видим, что на небе очень много пятен протяженностью около одного градуса. Точки с черточкой показывают результаты измерений спутника. Высота этих линий означает возможную погрешность. Волнистая линия показывает теоретическую модель нашей Вселенной. И как видите, теория совпадает с реальностью. В этой теоретической Вселенной количество темной материи в пять раз превосходит количество обычной. Темная материя влияет, в частности, на то, насколько высоко располагаются разные пики по отношению друг к другу. Если убрать темную материю из наших моделей, то теоретическая линия перестанет попадать в точки измерения. В этом случае теория и наблюдения разойдутся.

Но одного только правильного количества темной материи будет маловато, чтобы теория встретилась с реальностью, когда дело касается реликтового излучения. Чтобы в итоге все сложилось так, как надо, измерения «Планка» диктуют изначальное количество темной энергии и изначальную скорость расширения Вселенной. Вот почему измерения реликтового излучения так важны: «горбы» на приведенном ниже графике можно использовать для изучения сразу множества различных свойств Вселенной.

^{На рисунке показано, сколько пятен разного размера есть на карте реликтового излучения. Точки показывают измерения, сделанные спутником «Планк», а линия, проходящая через точки, — теоретическая модель Вселенной, где темной материи в пять раз больше, чем обычной материи.}

Когда дело касается темной материи, реликтовое излучение дополняет наблюдения за скоплениями галактик гравитационным линзированием, скоростями вращения спиральных галактик и так далее. Темная материя кажется необходимой независимо от того, смотрим ли мы на большие или маленькие структуры, на Вселенную в младенчестве или на Вселенную сегодня, на то, как движутся галактики, или на преломление света под действием гравитации. Из-за всех этих факторов становится чересчур сложно объяснить Вселенную, в которой мы живем, пренебрегая темной материей.

Тут я перестану приводить аргументы в пользу существования темной материи. Вместо этого лучше порассуждать о том, чем она может быть. А то как-то неловко получается: есть огромное количество некого вещества, о котором мы толком не в состоянии ничего сказать. Но мы же не опускаем руки, а значит, открытие может произойти в любой момент.