Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский

Наиболее же экстравагантное заключение было сделано американским математиком Джеффри Виксом, который, анализируя данные WMAP, пришел к выводу, что Вселенная конечна и имеет форму правильного додекаэдра[47] размером 60 млрд св. лет в поперечнике. Соответствующая статья, опубликованная в журнале Nature в 2003 г., была упомянута в нескольких сотнях статей. В 2010 г. был опубликован электронный препринт, в котором авторы Вахе Гурзадян и Роджер Пенроуз утверждали, что в карте распределения температуры можно увидеть концентрические круги, которые являются сигналами, связанными с вселенными, предшествующими нашей. Однако работа вызвала массу критических отзывов, также опубликованных в виде электронных препринтов, авторы которых утверждают, что на карте неба нет никаких кругов, кроме тех, которые можно провести случайным образом. Общий скептицизм относительно этой теории хорошо отражен в статье научного обозревателя Би-би-си Джейсона Палмера[48].

На карте распределения температуры реликтового излучения на рис. 3.1 можно найти область с температурой приблизительно на 70 мкК ниже средней температуры реликтового излучения. Она расположена в южной небесной полусфере в созвездии Эридана и имеет угловой радиус около 5°. Кроме того, она получила название «реликтовое холодное пятно» или «сверхпустота Эридана» и собственную статью в Википедии. Явление это интересное, заслуживающее изучения, но явно не ошеломляющее или требующее пересмотра парадигм и теорий. Его можно объяснить, например, влиянием гигантской пустоты (войда) или сверхпустоты (супервойда) на пути реликтового излучения через хорошо известный механизм взаимодействия реликтового излучения с гравитирующей материей, предложенный Райнером Саксом и Артуром Вольфом. Но это скучно и банально, никакой романтики. Зато профессор Университета Северной Каролины Лаура Мерсини-Хафтон считает: «Стандартная космология не может объяснить природу такой гигантской космической дыры… это явный отпечаток другой вселенной за краем нашей». Остается только узнать, где край нашей Вселенной и как именно отпечаталась другая, не наша вселенная.

Как бы то ни было, если и есть что-то с названием «сверхпустота Эридана», то это можно начинать не только обсуждать, но и бояться. Писать в СМИ статьи «Сверхпустота Эридана и угроза человечеству», устраивать круглые столы и магические обряды по деэриданизации, т. е. нейтрализации вредного влияния роковой сверхпустоты. Люди любят бояться, и это прекрасно используют не только авторы фильмов ужасов.

Вопрос: В настоящее время температура реликтового излучения составляет 2,725 K. Чему она равнялась в предыдущие эпохи?

Ответ: Планковский спектр зависит от произведения длины волны и температуры. Длины волн излучения расширяются вместе с Вселенной, а его температура, соответственно, падает. Каждая эпоха характеризуется своим значением z-фактора. С эпохи, соответствующей определенному значению z-фактора, длина волны увеличилась в 1 + z раз, а температура, соответственно, уменьшилась во столько же раз. Значит, температура в определенную эпоху равнялась 2,725 × (1 + z) К. На эпоху рекомбинации, для которойполучаем температуру 2967 K.

В этом разделе мы рассмотрим расширение ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, что соответствует очень малым значениям r или масштабного фактора.

Мы можем пренебречь членом А по сравнению с гораздо большим значением 8πGB/2r в (2.12) и получить

Естественно, это полностью согласуется с уравнением (2.19). Затратив некоторые усилия, можно убедиться, что более сложные уравнения (2.20) и (2,21) также имеют подобное асимптотическое поведение при u → ∞.

Таким образом, сразу после Большого взрыва Вселенная расширялась по закону r ~ t2/3 для каждого из трех возможных сценариев. Постоянная Хаббла началась с бесконечно большого значения и уменьшалась по закону H = 2/3t. В открытой и плоской моделях H всегда положительна и стремится к нулю при больших t. В замкнутой модели постоянная Хаббла становится равной нулю в некоторой точке, и расширение сменяется сжатием Вселенной. Все кончается Большим хрустом через конечный промежуток времени от Большого взрыва. Перед Большим хрустом постоянная Хаббла стремится к –∞. Мы видим, что эволюция ранней Вселенной практически одинакова для всех возможных сценариев.

Космологический горизонт описывает максимально большое расстояние до астрономических объектов, которые мы можем увидеть на небе или получить от них какую-либо информацию любыми способами, включая гравитационные и электромагнитные волны или потоки каких-либо частиц. Любые сигналы от более удаленных объектов не могут достигнуть Земли за время существования Вселенной. Существование космологического горизонта является результатом комбинации двух факторов, а именно конечности скорости света и существования Большого взрыва.

Надо понимать, что чем дальше от нас находится объект, тем дольше от него идет свет и тем на более ранней стадии существования мы его наблюдаем. Таким образом, наиболее далекие из принципиально наблюдаемых объектов должны были испустить свет в момент рождения Вселенной. Этот свет шел бы до нас 13,8 млрд лет, однако из-за расширения Вселенной эти объекты находятся не на расстоянии 13,8 млрд св. лет, а на расстоянии втрое большем, т. е. около 40 млрд св. лет. Соответствующий расчет приведен в разделе 3.5. Более далекие объекты просто не видны, они находятся за космологическим горизонтом – границей видимой части Вселенной. Если на объектах, лежащих за космологическим горизонтом, существует наблюдатель, то он также не может получить информацию от нас. Это – еще одно решение парадокса Ольберса: мы можем наблюдать свет только от объектов в видимой части Вселенной с конечным, хотя и очень большим числом звезд.

Космологический горизонт соответствует максимальному расстоянию, от которого свет может дойти до нас. Вспоминая раздел 1.2, мы видим, что он соответствует краю нашего светового конуса прошлого, как показано на рис. 3.3. Все, что ограничено космологическим горизонтом, находится в нашем абсолютном прошлом, а все, что за ним, находится во внешней области. Естественно, мы можем получить любую информацию только от объектов внутри светового конуса.

В отличие от рис. 1.5, мы имеем дело не с плоским пространством-временем Минковского, а с реальной Вселенной, которая имеет четкую границу времени в прошлом – Большой взрыв. На рис. 3.3 по вертикальной оси отложено время, вершина соответствует текущей эпохе, принимаемой за начало отсчета, а Большой взрыв находится на уровне –13,8×109 лет. По горизонтальной оси отложено радиальное расстояние от нас. Так как нас интересует качественный, а не количественный анализ, мы используем такой переменный масштаб вдоль горизонтальной оси, чтобы край светового конуса представлял из себя прямую линию.