Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Несмотря на всю неопределенность, «Лямбда-CDM» – наша лучшая модель Вселенной. Я понимаю, почему публика может скептически отнестись к фактическому существованию чего-то вроде темной материи: считается, что она повсюду (хотя плотность меняется от места к месту), тем не менее это «повсюду» не оказывает заметного влияния на нашу повседневную жизнь. Но если размышлять в космических масштабах, то тогда становятся очевидными косвенные доказательства наличия компонента темной материи в кривых вращения галактик и движениях звезд, а также в гравитационном линзировании света. Независимо от того, что именно представляет собой темная материя, и ее точной природы описывающая их текущая модель проделывает неплохую работу по предсказанию многих событий во Вселенной, которые хорошо согласуются с данными наблюдений. Да, проблемы в модели есть, но это и не удивительно: цель наших исследований состоит в создании модели, которая может совершенствоваться по мере накопления новых знаний. Если мы получим достоверные данные наблюдений, которые не могут быть объяснены моделью, или докажем, что модель неверна, то она будет отброшена, а мы начнем снова. Примером этого является смена парадигмы, которая произошла, когда модель Вселенной, начавшаяся с горячего Большого взрыва, поборола теорию стационарной Вселенной.

Происхождение в водовороте

Теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Фредом Хойлом, Томасом Голдом и Германом Бонди в середине XX века (все они были и остаются высокоуважаемыми астрономами и космологами), описала Вселенную, которая не имела начала, но была всегда. В модели стационарной Вселенной галактики находятся в движении, о чем свидетельствует галактическая рецессия относительно Земли, открытая в начале ХХ века, но сама Вселенная сохраняет постоянную плотность (при усреднении по большим объемам), позволяя новым галактикам возникать по мере расширения космоса. Двумя основными доказательствами, которые обесценили теорию стационарной Вселенной, стали наблюдение космического микроволнового фона – всепроникающего радиационного поля, которое указывает на горячее происхождение Вселенной, – и тот факт, что галактики на больших красных смещениях начинают демонстрировать свойства, отличные от тех, что есть у ближайших к нам. Например, в далекой ранней Вселенной существовало гораздо больше квазаров, чем сегодня. Это означает, что население галактик меняется с течением времени. Поэтому, как ни странно, изобилие квазаров в более ранней Вселенной напрямую связано с тем, что скорость активности – как звездообразования, так и роста черных дыр – в прошлом была выше, чем сегодня. Это указывает на прогрессивные изменения населения галактик.

По мере сбора эмпирических данных теория стационарной Вселенной отошла на второй план. Однако, разрабатывая ее, ученые не потратили время впустую: наукой движет эмпирическая проверка гипотез, и стационарная Вселенная просто не вписывается в картину, которую нам дают наблюдения. На смену ей пришла теория горячего Большого взрыва, описывающая мгновенное образование пространства и времени из одной точки в начальный момент прошлого. Модель «Лямбда-CDM» описывает содержание этой Вселенной, ее геометрию и эволюцию. Она не идеальна, и астрономы признают это (конечно, некоторые больше, чем другие, – в этом деле легко стать догматиком). Например, есть проблемы с тем, как теория работает во времена сразу после Большого взрыва и в описании механики того, как Вселенная могла расширяться так быстро. Точно так же у нас нет достоверной теории о том, как вообще произошел Большой взрыв, или что произошло раньше, или существуют ли другие Вселенные. Это уже совсем другая история. На данный момент астрономы вроде меня используют «Лямбда-CDM» в качестве контекста или структуры, в рамках которой можно интерпретировать наблюдения, и, что более важно, в качестве модели, которая может быть подвергнута тщательному анализу. Наша нынешняя модель мироздания удивительно хорошо объясняет широкий спектр явлений, поэтому мы, вероятно, все же находимся на правильном пути. С другой стороны, в масштабе отдельных галактик и их внутренней работы все еще задействована старая добрая физика. Сами по себе многие принципы физических процессов, действующих в галактиках, достаточно хорошо изучены. Проблема возникает, когда мы пытаемся понять, как все различные физические процессы работают в галактиках вместе. Вот тогда все становится сложнее: мы должны работать по частям, наблюдая за тем, как складывается наш пазл.

Термодинамические свойства ранней Вселенной устанавливают фундаментальный горизонт, за которым мы, наблюдатели, не можем ничего разглядеть. Как мы уже видели, судьбы темной и «нормальной» материй были сплетены с самого начала, и вскоре после образования Вселенной и темная материя, какой бы она ни была, и «нормальная» были равномерно распределены в горячем первичном бульоне. Мы не можем непосредственно наблюдать эту эпоху, потому что фотоны, движущиеся в горячей плазме, были успешно захвачены, будучи постоянно рассеянными заряженными барионными частицами. Это рассеивание означало, что у них не было возможности свободно перемещаться по Вселенной так же, как это получается у света далеких галактик, который относительно беспрепятственно двигается через встречающуюся на его пути материю. Но как только Вселенная расширилась и охладилась достаточно, чтобы электроны объединились с протонами, сформировав таким образом первые атомы и нейтрализовав Вселенную, это рассеивание почти прекратилось. Тогда фотоны – излучение самого Большого взрыва – были выпущены, как лошади на скачках, практически беспрепятственно струясь к нам через постоянно расширяющуюся Вселенную, их путешествие заняло почти 14 млрд лет. Момент высвобождения этих фотонов называется эпохой рекомбинации: в это время фотоны в последний раз рассеялись ионизированной материей на поверхности последнего рассеивания. Это самая отдаленная (или, если хотите, самая ранняя) точка, которую мы можем увидеть во Вселенной. Эта поверхность, а точнее, ее излучение, пронизывающее Вселенную, называется космическим микроволновым фоном, или реликтовым излучением.

Оно представляет собой почти равномерный световой дождь, который с расширением Вселенной был смещен в красную область на микроволновые волны и, как кажется, излучается со всех сторон неба (хотя сигнал от реликтового излучения заглушается микроволновым излучением самого Млечного Пути). Спектр реликтового излучения – почти идеальное черное тело, представляющее тепловое испускание излучения с характерным спектральным распределением, сходным с формой инфракрасного излучения пыли галактик, с которым мы сталкивались ранее. Пик спектра соответствует средней температуре 2,73 градуса выше абсолютного нуля, и это и есть температура космоса – остаточное тепло Большого взрыва.

Реликтовое излучение, нанесенное на карту всего неба такими спутниками, как «Космический микроволновый фоновый обозреватель» (англ. COsmic Background Explorer, COBE), микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона и, совсем недавно, космической обсерваторией «Планк» спутником Европейского космического агентства – неравномерно. Существуют колебания температуры – они хоть и незначительны (вариации составляют порядка одной части на 100 000), но имеют фундаментальное значение для истории эволюции галактик. Эти колебания температуры представляют собой колебания плотности, присутствовавшие в горячем бульоне из частиц всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это те булыжники, из которых построена Вселенная. Флуктуации в реликтовом излучении являются признаком того, что барионы начали оседать в областях высокой плотности, которые росли из-за более ранних квантовых возмущений плотности вещества, когда Вселенная быстро расширялась из одной точки. Детали распределения галактик, которые мы видим сегодня, были сформированы в то время, когда барионы вливались в эти гравитационные борозды, а затем сами усиливали их. Фактически это своего рода «фотография» того времени – снимок Вселенной, когда галактики только начали формироваться. Наши возможности отображения реликтового излучения в мельчайших деталях – одно из главных достижений наблюдательной космологии.