Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Главным подтверждением инфляционной теории, полученным от WMAP, стало измерение кривизны Вселенной, а точнее — ее удивительной прямизны. Эйнштейн учил, что наше пространство может быть искривлено (на рис. 73 можно увидеть примеры искривленных двумерных поверхностей). Степень кривизны зависит от плотности энергии во Вселенной. В те времена, когда была впервые предложена инфляционная теория, было уже известно, что Вселенная на самом деле искривлена намного меньше, чем можно было ожидать, но измерения в то время были недостаточно точными и проверить инфляционное предсказание (инфляционная теория утверждает: Вселенная расширилась настолько, что любое искривление растянулось практически в нуль) было невозможно. На сегодняшний день измерения реликтового излучения показали, что Вселенная на самом деле плоская с точностью до одного процента, — и понять это без дополнительных физических объяснений очень трудно.

РИС. 73. Нулевая, положительная и отрицательная кривизна двумерных поверхностей. Вселенная тоже может быть искривлена, но в четырехмерном пространстве–времени, что трудно изобразить на бумаге

Отсутствие у Вселенной заметной кривизны стало громадной победой инфляционной космологии. Если бы дело обстояло иначе, инфляционную теорию можно было бы исключить. Данные WMAP стали и большой научной победой. Когда теоретики впервые предложили точно измерить микроволновой фон и поближе познакомиться, таким образом, с геометрией Вселенной, все сочли, что это, конечно, очень интересно и заинтересует научное сообщество, но слишком сложно технически, чтобы проект можно было осуществить в обозримом будущем. Однако вопреки ожиданиям не прошло и десяти лет, как космологи провели необходимые измерения и снабдили научный мир ценнейшими данными. Мы узнали об эволюции Вселенной множество поразительных фактов. WMAP и сегодня продолжает давать новые результаты, проводя на небесной сфере детальные измерения тончайших температурных вариаций. Спутник Planck, действующий сегодня, измеряет эти флуктуации еще точнее [58] . Исследования реликтового излучения оказались бесценным и главным источником сведений об истории ранней Вселенной и, скорее всего, еще долго будут им оставаться.

58

WMAP был запущен 30 июня 2001 г. и проработал до августа 2010 г. Обработка его научных данных продолжается. Planck запущен 15 мая 2009 г. — Прим. пер.

Недавние подробные исследования космического излучения, пронизывающего пространство с древнейших времен, позволили добиться громадных успехов и в других областях наших знаний о Вселенной и ее эволюции. Данные об излучении сообщили нам много нового о веществе и энергии вокруг нас. Мало того, что мы узнали, в каком состоянии была Вселенная, когда это излучение только начинало свой путь к нам; реликтовое излучение рассказало нам и о том, что встречало в пути. Если бы Вселенная изменилась за последние 13,75 млрд лет или если бы ее энергия отличалась от ожидаемой, то, как учит нас теория относительности, маршрут световых лучей тоже изменился бы, а следовательно, изменились бы и свойства излучения, которое мы сегодня регистрируем. Микроволновое фоновое излучение—чувствительнейший индикатор сегодняшнего энергетического состава Вселенной — обеспечивает нас информацией о том, что в этой Вселенной есть, в том числе о скрытой массе и темной энергии, о которых мы сейчас и поговорим.

СЕРДЦЕ ТЬМЫ

Помимо успешного подтверждения инфляционной теории исследование космического реликтового излучения породило несколько новых серьезных загадок, над которыми уже работают космологи, астрономы и специалисты по физике элементарных частиц. Инфляционная теория говорит нам, что Вселенная должна быть плоской, но не говорит, где скрывается в настоящее время энергия, необходимая для обеспечения ее плоского состояния. Однако при помощи уравнений Эйнштейна мы можем вычислить, какая энергия нужна для того, чтобы Вселенная сегодня была плоской. Оказывается, все известное видимое вещество обеспечивает лишь 4% необходимой энергии.

Дополнительной загадкой, требующей объяснения, стало то, что флуктуации температуры и плотности, первоначально измеренные СОВЕ, оказались такими крошечными. Если бы во Вселенной существовало только видимое вещество, а возмущения были такими крохотными, Вселенная просто не просуществовала бы так долго, чтобы возмущения успели настолько увеличиться и стать базой для формирования ее структуры. Но существование галактик и скоплений галактик вкупе с минимальными масштабами измеренных флуктуаций указывает на существование вещества, непосредственно увидеть которое никому пока не удалось.

На самом деле уже давно, задолго до проведенных СОВЕ измерений реликтового излучения, ученые знали, что должен существовать еще один тип материи, известный как темная материя (или скрытая масса). Другие наблюдения и раньше указывали на существование некоего невидимого вещества. Эта загадочная штука, получившая название скрытой массы, подвержена действию гравитационных сил, но не взаимодействует со светом. Поскольку это вещество не излучает и не поглощает свет, оно невидимое, а вовсе не темное. До сих пор о скрытой массе нам не известно практически ничего — только то, что она гравитирует и слабо взаимодействует с другими элементами и структурами.

РИС. 74. На диаграмме показано относительное содержание видимого вещества, скрытой массы и темной энергии, из которых состоит Вселенная

Более того, гравитационное влияние и измерения указывают на присутствие еще одной сущности, даже более загадочной, чем скрытая масса; эта сущность получила название темной энергии. Она пронизывает Вселенную, но не «слипается», как обычное вещество, и не «растекается» по мере расширения. Она очень похожа на ту энергию, которая в свое время стала причиной инфляции, но ее плотность сегодня намного меньше, чем была тогда.

Можно сказать, что в космологии сейчас наступила эпоха Возрождения: теории и наблюдения достигли такой стадии, когда можно проверять истинность новых гипотез. С другой стороны, мы по–прежнему живем в Темные века. Как показано на диаграмме (см. рис. 74), около 23% энергии Вселенной заключено в темной материи, а еще примерно 73% приходится на таинственную темную энергию.

В последний раз некая сущность в физике получила название «темной» в середине XIX в., когда Урбен Жан Жозеф Леверье из Франции предположил существование невидимой темной планеты, которую назвал Вулканом. Целью его было объяснить странную траекторию движения планеты Меркурий. До этого Леверье, изучив одновременно с англичанином Джоном Адамсом возмущения орбиты Урана, сделал вывод о существовании планеты Нептун, который полностью оправдался. А вот с Меркурием он ошибся. Оказалось, что странности его орбиты объясняются гораздо более сложно, чем просто существованием еще одной планеты, и объяснить их смогла только теория относительности Эйнштейна. Собственно, первым свидетельством в пользу общей теории относительности и стало успешное предсказание с ее помощью поведения орбиты Меркурия.

Может оказаться, что скрытая масса и темная энергия представляют собой следствия известных физических законов и теорий, а может быть, эти недостающие элементы Вселенной тоже являются предвестниками не менее серьезной смены парадигмы. Только время может сказать, каким образом разрешатся проблемы скрытой массы и темной энергии.

Я бы предположила, что скрытая масса, скорее всего, получит более традиционное объяснение, укладывающееся в рамки уже известных нам на сегодняшний день физических законов. В конце концов, даже если новое вещество ведет себя в соответствии с законами взаимодействий, похожими на те, что мы знаем, то почему все вещество во Вселенной обязано вести себя, как знакомое нам вещество? Или, более конкретно, почему всякое вещество обязано взаимодействовать со светом?

Многие думают по–другому. Они считают существование скрытой массы полной загадкой и задаются вопросом: как может быть, что большая часть вещества Вселенной — примерно в шесть раз больше того, что мы видим — представляет собой нечто, что невозможно зарегистрировать при помощи традиционных телескопов. Некоторые даже подозревают, что скрытая масса может оказаться какой-то ошибкой. Лично я думаю наоборот (хотя следует признать, что даже среди физиков далеко не все согласны со мной). Было бы куда большей загадкой, если бы во Вселенной не нашлось другого вещества, помимо того, которое мы можем увидеть глазами. Почему человек должен обладать идеальными чувствами, способными непосредственно воспринимать все на свете? Опять же история развития физики на протяжении столетий учит нас, что от человеческого взгляда скрыто очень многое. С этой точки зрения непонятно, почему то, что мы воспринимаем непосредственно, должно составлять хотя бы одну шестую от энергии всего вещества. Мне это кажется совпадением, и мы с коллегами в настоящее время пытаемся в этом совпадении разобраться.

Нам известно, что должно существовать нечто со свойствами скрытой массы. Видеть это мы не можем, но гравитационное воздействие регистрируем исправно, и многочисленные наблюдательные данные о гравитационных эффектах в космосе говорят о том, что скрытая масса существует.

Первое указание на ее существование было получено при измерении скорости вращения звезд в скоплениях галактик. В 1933 г. Фриц Цвикки заметил, что галактики обращаются вокруг общего центра быстрее, чем следовало бы, исходя из видимой массы [59] .

59

Точнее — из массы, вычисляемой на основании разумных предположений о количестве звездной и газопылевой материи в галактиках скопления с учетом ее размеров и светимости. —Прим. пер.