История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции - Дональд Голдсмит

Несмотря на единодушие между двумя соперничающими группами экспертов по сверхновым звездам, некоторых космологов все же было трудно убедить до конца. Не каждый день ученым случается оставить многолетние убеждения, такие, скажем, как нулевое значение космологической постоянной, и заменить их принципиально новым выводом о том, что темная энергия заполняет собой каждый кубический сантиметр пустого пространства. Почти все скептики, которые внимательно следили за приключениями теорий об устройстве космоса, в конце концов присоединились к новой версии, после того как смогли переварить результаты новой серии отчетов спутника, созданного для того, чтобы с беспрецедентной точностью записывать свои наблюдения за реликтовым излучением. Этот спутник — всемогущий WMAP, уже упомянутый в главе 3, — начал записывать свои полезные наблюдения в 2002 году, и к началу 2003 года у него накопилось для космологов достаточно данных для того, чтобы на их основании составить всеохватную небесную карту микроволнового излучения, несущего на себе большую часть космического фонового излучения. Хотя более ранние исследования уже позволили сделать несколько базовых выводов и без такой карты, они все же были сделаны на основании куда более скудных данных, собранных лишь с отдельных участков неба.

Полноценная карта неба от WMAP стала кульминацией многолетних трудов множества специалистов, а также определила раз и навсегда самые важные особенности реликтового излучения.

Самый выдающийся и значительный аспект новой карты, как и в случае с наблюдениями с аэростатов и наблюдениями, сделанными с помощью предшественника WMAP — спутника COBE[24], заключается в ее почти полной безликости. Вы не найдете никаких заметных различий в интенсивности излучения, идущего со всех сторон, пока не доберетесь в своих измерениях примерно до одной тысячной доли значений. Но и тогда едва различимые отличия принимают форму лишь незначительного повышения интенсивности излучения в одном конкретном направлении и соответствующего незначительного понижения интенсивности излучения в противоположном направлении. Эти различия вызваны движением нашей галактики Млечный Путь среди соседних с ней галактик. Из-за эффекта Доплера мы принимаем чуть более явный сигнал в направлении такого движения не потому, что само реликтовое излучение сильнее, а потому, что наше движение навстречу ему слегка увеличивает энергетический след фотонов, которые мы можем обнаружить.

Скорректировав результат со скидкой на эффект Доплера, мы получаем ровное реликтовое излучение, но это только вплоть до уровня стотысячных долей его величины. На этом уровне обнаруживаются крошечные отклонения от всеобщего единообразия. Эти отклонения можно сопоставить с участками, из которых реликтовое излучение приходит чуть более или чуть менее ярким. Как уже отмечалось ранее, разница в интенсивности связана с направлениями, в которых вещество чуть горячее и плотнее (или прохладнее и разреженнее) среднестатистического вещества в районе 380 тысяч лет после Большого взрыва. Спутник COBE первым заметил эти различия. Инструментальные измерения с помощью аэростатов и исследования на Южном полюсе уточнили имеющиеся у нас данные, а затем спутник WMAP предоставил еще более детальные сведения о небесном своде, что дало космологам возможность создать подробную карту плотности реликтового излучения с невообразимой ранее точностью углового разрешения вплоть до одного градуса.

Незначительные отклонения в однообразии реликтового излучения, обнаруженные и спутником COBE, и спутником представляют космологов более чем просто мимолетный интерес. Так, они показывают нам зачатки структурного строения Вселенной в то время, когда фоновое излучение перестало взаимодействовать с веществом. Регионы, в которых вещество чуть плотнее среднего, в те далекие времена получили фору для дальнейшего сокращения и выиграли эти космические соревнования, собрав у себя большую часть вещества с помощью гравитации. Первым важным заключением, которое позволяет сделать новая карта распределения реликтового излучения, является следующее: подтверждаются космологические теории о том, что огромная разница в плотности вещества от региона к региону Вселенной, наблюдаемая сегодня, существует благодаря крошечным различиям в плотности вещества, которые сложились во Вселенной через несколько сотен лет после Большого взрыва.

Однако космологи могут использовать новые результаты своих наблюдений за реликтовым излучением еще и того, чтобы разгадать другую, более фундаментальную особенность устройства Вселенной. Подробная карта распределения реликтового излучения показывает нам кривизну самого пространства. Это удивительное заключение основано на том факте, что кривизна пространства влияет на путешествующее сквозь него излучение. Если, например, пространство искривлено положительно, тогда при наблюдении за реликтовым излучением мы оказываемся примерно в позиции стороннего наблюдателя, стоящего на Северном полюсе и глядящего вдоль поверхности Земли в направлении источника излучения в районе экватора. Так как линии долготы сходятся на полюсе, источник излучения предстает перед таким наблюдателем более остроугольным, чем было бы при абсолютно плоском пространстве.

Чтобы понять, как кривизна пространства влияет на угловой размер составляющих реликтового излучения, представьте себе время, когда оно наконец-то перестало взаимодействовать с веществом. Тогда крупнейшие отклонения от однообразия, что только могли существовать во Вселенной, обладали размером, который космологи могут подсчитать: возраст Вселенной, умноженный на скорость света, — и это равняется примерно 380 тысячам световых лет поперек. Это то самое максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости. В случае с большими расстояниями «новости» от других частиц просто не успели бы еще добраться куда следовало, так что их нельзя винить в нарушениях распределения реликтового излучения.

Под каким углом эти максимальные отклонения расположились бы на небе сейчас, зависит от кривизны пространства, которую можно определить, сложив ΩΜ и ΩΛ. Чем ближе эта сумма к единице, тем ближе кривизна пространства к нулю (то есть тем более плоское пространство мы имеем) и тем больше угловой размер наблюдаемых нами максимальных отклонений от однообразия реликтового излучения. Данная кривизна пространства зависит только от суммы двух Ω, потому что оба типа плотности провоцируют кривизну пространства одинаковым образом. Получается, что наблюдения за реликтовым излучением предлагают нам прямое значение суммы ΩΜ + ΩΛ, а изучение сверхновых звезд — значение алгебраической разницы между ΩΜ и ΩΛ.

Данные спутника показывают, что для самых заметных отклонений от однообразия реликтового излучения характерен угол 1 градус, и это означает, что сумма ΩΜ + ΩΛ равняется 1,02 (±0,02). Так, в рамках границ экспериментально допустимой точности мы можем сделать вывод, что ΩΜ + ΩΛ = 1. Значит, пространство плоское. Результаты наблюдений за далекими сверхновыми типа Ia можно резюмировать строчкой ΩΛ — ΩΜ = 0,46. Если мы совместим этот результат с утверждением о том, что ΩΜ + ΩΛ = 1, мы получим следующие значения: ΩΜ = 0,27, а ΩΛ = 0,73; погрешность каждого из составляет несколько процентов. Как уже отмечалось ранее, это лучшие на сегодня предполагаемые значения двух ключевых космических параметров, имеющиеся в распоряжении у астрофизиков. Они демонстрируют, что на вещество — как на обычное, так и на темную материю — приходится лишь 27 % суммарной плотности вещества (или обычной энергии в его эквиваленте), в то время как на долю темной энергии приходится 73 %. Если хотите, можно рассматривать массовый эквивалент темной энергии — E/c2; тогда на долю темной энергии приходится 73 % всей массы Вселенной.