История всего

Стремясь отследить формирование структур с эпох, последовавших вскоре за Большим взрывом, мы можем узнать кое-что полезное, если обратимся к уже знакомым нам двум ключевым вехам истории Вселенной: эпохе инфляции, когда она расширилась с выдающейся скоростью, и эпохе отсоединения примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда реликтовое излучение перестало взаимодействовать с веществом.

Эпоха инфляции длилась где-то между 10^{– 37} и 10^{– 33} секундами после Большого взрыва, в этот относительно короткий срок канва пространства и времени расширялась быстрее скорости света — за одну миллиардную долю одной триллионной одной триллионной доли секунды она выросла от размера в одну сотню миллиардов миллиардов раз меньшего, чем протон, до примерно 4 дюймов [33] в диаметре. Да, наша Вселенная когда-то была размером с грейпфрут. Но что же стало причиной этой инфляции? У космологов есть главный подозреваемый — фазовое превращение, оставившее за собой видимый след в космическом реликтовом излучении.

33

4 дюйма = 10,16 см.

Фазовые превращения (или переходы) встречаются отнюдь не только в космологическом контексте, например они часто происходят у нас дома. Мы замораживаем воду, чтобы получить кубики льда, кипятим воду, чтобы получить пар. Сладкая вода способна вырастить сладкие кристаллы на опущенной в нее нитке, а влажное и липкое тесто превращается в пирог, стоит подержать его немного в духовке. Заметили характерную тенденцию? В каждом случае подопытный материал очень сильно различается до и после перехода. Инфляционная модель Вселенной утверждает, что, когда Вселенная была юной, преобладающее в ней энергетическое поле претерпело фазовый переход — один из нескольких, что могли произойти в те далекие времена. Это конкретное событие не только запустило раннее и суперскоростное расширение Вселенной, но и наделило ее особенной тенденцией к переменному формированию более и менее богатых на вёщество регионов. Эти переменные колебания впечатались в расширяющуюся канву пространства, создавая что-то вроде чернового наброска для будущего расположения галактик, которым еще только предстояло сформироваться. В лучших традициях Пу-Ба, персонажа из оперы Гильберта и Салливана «Микадо», который с гордостью отследил свое происхождение до «первозданной горстки атомов», мы тоже можем списать свое происхождение и начало формирования всех структур на колебания распределения вещества в субъядерном масштабе, которые имели место быть в эпоху инфляции.

Какие факты можно привести в поддержку этого смелого заявления? У астрофизиков нет возможности заглянуть в прошлое вплоть до первой в истории Вселенной 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 секунды, поэтому им остается лишь основная тому альтернатива — использовать научную логику для того, чтобы связать ту раннюю эпоху с другими, наблюдать за которыми у них возможность есть. Если теория инфляции верна, тогда изначальные колебания, образовавшиеся в ту эпоху (как неизбежное отражение законов квантовой механики, которая утверждает, что небольшие вариации плотности в целом гомогенной и изотропной жидкости время от времени неизбежны), вполне могли стать основой для формирования регионов с различной степенью концентрации вещества и энергии. Мы можем надеяться обнаружить доказательства таких вариаций где-то в реликтовом излучении, служащем авансценой, отделяющей текущую эпоху от первых моментов жизни новорожденной Вселенной и одновременно с этим помогающей связать одно с другим. Как мы уже знаем, реликтовое излучение состоит из фотонов, образовавшихся в первые несколько минут после Большого взрыва. В самом начале истории Вселенной эти фотоны еще взаимодействовали с веществом, врезаясь в любые атомы, что умудрялись сформироваться, на полной скорости — и так энергично, что атомы распадались обратно под этой бурной атакой. Но непрекращающееся расширение Вселенной, по сути, отобрало у фотонов их энергию. В конце концов в момент наступления эпохи отсоединения ни у одного из таких фотонов уже не хватало энергии на то, чтобы прерывать движение электронов по своим орбитам вокруг протонов и ядер гелия. С тех самых пор, начиная примерно с 380 тысяч лет после Большого взрыва, атомы непоколебимы, за исключением некоторых локальных нарушений вроде излучения близлежащей звезды. В свою очередь, фотоны, продолжающие все дальше терять энергию, так и путешествуют по Вселенной, формируя во всем своем множестве то самое фоновое космическое, или реликтовое, излучение.

Реликтовое излучение — это историческое вещественное доказательство, своеобразная фотография того, как выглядела Вселенная в эпоху отсоединения. Астрофизики научились изучать эту фотографию с все возрастающей точностью. Во-первых, сам факт существования реликтового излучения доказывает, что их базовое понимание устройства и истории Вселенной верно. Во-вторых, они провели многие годы, совершенствуя свои навыки и методики измерения этого самого реликтового излучения, и их замысловатые аэростаты и спутники подарили им карту микроскопических отклонений реликтового излучения от своей общей однородности. Эта карта словно документ, отражающий крохотные в прошлом колебания, размеры которых возрастали — по мере расширения Вселенной в течение первых нескольких сотен тысяч лет после эпохи инфляции и доросли — за следующий миллиард лет или около того — до космических масштабов распределения вещества во Вселенной.

Каким бы удивительным это ни казалось, реликтовое излучение — тот самый инструмент, который позволяет нам выявить следы давным-давно исчезнувшей в реальности Вселенной и определить местонахождение вплоть до расстояний в 14 миллиардов световых лет в любом от нас направлении — регионов чуть большей плотности вещества: им-то и предстоит стать галактическими кластерами и суперкластерами. Регионы с плотностью вещества чуть выше среднего оставили за собой чуть больше фотонов, чем регионы с плотностью чуть ниже средней. В то время как Вселенная неумолимо обретала прозрачность, что происходило за счет постепенной утраты фотонами энергии (из-за чего они все хуже взаимодействовали с формирующимися атомами), каждый фотон отправлялся в путешествие, уносясь очень и очень далеко. Наше непосредственное окружение (в космосе) покинуло множество фотонов, которые в течение 14 миллиардов световых лет разбегались от нас во всех направлениях, становясь частью реликтового излучения, которое, возможно, в этот самый момент изучают сторонние наблюдатели — представители далеких неземных цивилизаций на том краю Вселенной, а «их» фотоны, в свою очередь, добравшись до нас, рассказывают нам о том, как обстояли дела в далеком и глубоком прошлом — в те времена, когда наша Вселенная лишь начинала обретать свою структуру.

Начиная с 1965 года, когда впервые было обнаружено реликтовое излучение, астрофизики вот уже более четверти века пребывают в поисках в нем анизотропий. С теоретической точки зрения найти их — острая необходимость, потому что без наличия в реликтовом излучении анизотропий на уровне нескольких сотенно-тысячных долей вся их базовая модель о зарождении структуры потеряет актуальность. Без тех крошечных посевов вещества, о которых говорят отклонения от равномерного распределения реликтового излучения, у нас нет никакого объяснения того, почему мы с вами существуем. И ученым снова повезло! Обнаружение анизотропий состоялось словно по заранее оговоренному расписанию. Как только космологам удалось создать инструменты, способные обнаружить анизотропии на соответствующем уровне, они их и обнаружили: сначала с помощью спутника COBE в 1992 году, а затем и при участии много более точных инструментов, увлекаемых в небо аэростатами, и, конечно же, спутника-зонда WMAP из главы 3. Крошечные разночтения в локальной концентрации микроволновых фотонов, образующих собой реликтовое излучение, определенные с впечатляющей точностью спутником WMAP, несут в себе, как записи в личном дневнике Вселенной, картину космических флуктуаций в то время, когда после Большого взрыва прошло 380 тысяч лет. Типичные колебания приходятся всего лишь на несколько сотенно-тысячных долей градуса — выше или ниже средней температуры реликтового излучения, поэтому находить их — словно выискивать едва различимые пятна масла на поверхности пруда диаметром в одну милю, делающие местами воду лишь чуть более плотной на вид. Как бы малы ни были эти анизотропии, их оказалось достаточно для того, чтобы запустить механизм формирования структуры.

Спутник помог создать карту реликтового излучения, на которой более крупные и «горячие» участки соответствуют тем регионам, в которых гравитация смогла преодолеть процесс постоянного расширения Вселенной и собрать в одном месте достаточное количество вещества, чтобы в итоге создать из него галактические суперкластеры. Сегодня эти регионы вмещают в себя около тысячи галактик каждый, а каждая такая галактика состоит из сотен миллиардов звезд. Если мы добавим нужное количество темной материи в такой среднестатистический суперкластер, его суммарная масса достигнет величины, равнозначной массе 1016 Солнц. Соответственно, более крупные и «прохладные» участки, лишенные возможности противостоять расширению Вселенной, в итоге превратились в огромные пустоты, практически лишенные каких-либо крупных структур. Астрофизики называют такие регионы «войдами» [34] : сам термин подразумевает, что такой космический участок окружают непустые «не войды». Получается, что гигантские стены и нити галактик, которые мы видим в небе, не только формируют кластеры в местах своего пересечения, но и очерчивают собой самые причудливые с точки зрения геометрии границы космических пустырей.

34

От англ. void — «пустота».

Галактики не появились просто так, сами по себе, не сформировались полностью в мгновение ока из скоплений вещества, чуть более концентрированных, чем в среднем по Вселенной. Начиная с 380 тысяч лет после Большого взрыва и еще примерно в течение 200 миллионов лет после этого вещество продолжало понемногу накапливаться, но в той Вселенной еще ничего не сияло — ее первым звездам пока только предстояло появиться на свет. В эту темную эпоху космической истории во Вселенной было только то, что она произвела в первые несколько минут своего существования: водород и гелий, а также ничтожное количество лития. Более тяжелых химических элементов (углерода, азота, кислорода, натрия, кальция и т. д.) еще просто не было, и в космосе не нашлось бы ни одной из широко известных сегодня молекул атомов, которые могли бы поглощать Излучение новорожденной звезды. Сегодня, в присутствии таких молекул и атомов, свет заново сформировавшейся звезды оказывает на них давление, отталкивая от себя огромные объемы газа, который в противном случае упал бы на саму звезду. Подобное отталкивание накладывает естественное ограничение на максимально возможную массу новорожденной звезды: она составляет менее одной сотой доли от массы Солнца. Но когда начали формироваться самые первые звезды, отсутствие таких молекул и атомов, которые могли бы поглотить их сияние, стало причиной того, что этот газ состоял почти целиком из водорода и гелия, чего даже формально не хватало того, чтобы противостоять звезде. Это позволило сформироваться звездам с многократно большими массами — в сотни и даже тысячи раз тяжелее Солнца.

Звезды с большой массой живут на полную катушку, и чем больше такая звезда, тем короче ее жизненный цикл. Они переводят вещество в энергию с ошеломляющей скоростью, вырабатывая более тяжелые химические элементы и умирая в пламени взрыва еще «совсем юными». Продолжительность их жизни составляет не более нескольких миллионов лет, а это, в свою очередь, менее одной тысячной доли от предполагаемой продолжительности жизни Солнца. Сегодня вряд ли осталась хотя бы одна звезда из той далекой эпохи: эти ранние пташки должны были выгореть многие миллионы лет назад. Более того, сегодня, когда более тяжелые химические элементы встречаются в самых разных уголках Вселенной, формирование новых подобных звезд с огромной массой в принципе невозможно. И действительно — на сегодня ученым не удалось обнаружить и изучить хотя бы одну звезду-гиганта «тех времен». Но мы приписываем им ответственность за то, что когда-то они впервые привнесли во Вселенную все те ее столь знакомые элементы, которые мы сегодня воспринимаем как должное: углерод, кислород, кремний и железо. Хотите, называйте это «обогащением» или «загрязнением». Однако отрицать нельзя: жизнь впервые зародилась в тех самых первых звездах-гигантах.

В первые несколько миллиардов лет после эпохи отсоединения провоцируемый гравитацией коллапс шел довольно азартно: сила тяготения сгоняла вещество в различные скопления самых разных масштабов. Одним из естественных последствий бесперебойной работы гравитации служит формирование сверхмассивных черных дыр, масса каждой из которых составляет в миллионы и даже миллиарды раз больше, чем масса Солнца. Площадь черных дыр, обладающих подобной массой, соответствует диаметру орбиты Нептуна, и они наносят основательный ущерб своему ближайшему окружению. Газовые облака, которые притягивает к таким черным дырам, стремятся набрать скорость, но не могут, потому что на пути у них встречается слишком много препятствий. Вместо этого они врезаются и впечатываются во все те препятствия на их пути к черной дыре, образуя в своем окружении нечто вроде бушующего водоворота. Но буквально перед тем, как такие облака исчезнут навсегда, все эти столкновения с их раскаленным веществом становятся источниками титанических объемов энергии, в миллиарды раз превышающих сияние Солнца, и все это в пределах Солнечной системы. Громадные потоки вещества и излучения выплескиваются вперед, оставляя след в сотни тысяч световых лет над и под вихреобразными потоками газа, в то время как энергия рвется наружу, стремясь во что бы то ни стало покинуть эту воронку. Пока коллапсирует одно облако, а другое уже ждет своей очереди, подтягиваясь все ближе, яркость свечения всей системы колеблется, демонстрируя то повышенное, то пониженное излучение в течение часов, дней или недель. Если потоки энергии будут направлены прямо на вас, система покажется вам еще более яркой, а вариации в ее свечении — более явными. Это в отличие от тех случаев, когда такие потоки движутся куда-то вбок. Если взять все участки, попадающие под описание в стиле «у нас есть черная дыра, и в нее падает вещество», они окажутся на удивление небольшими и при этом очень яркими по сравнению с той галактикой, что мы можем наблюдать сегодня. Дело в том, что во Вселенной есть еще один тип объектов, чье рождение мы только что проследили на словах, — квазары.

Квазары были обнаружены в начале 1960-х годов, когда астрономы стали переходить на телескопы с детекторами, достаточно чувствительными для того, чтобы реагировать на невидимое излучение, такое как радиоволны и рентгеновские лучи. Новые портреты галактик теперь могли также включать в себя информацию о том, как выглядят галактики в гораздо более широком диапазоне спектра электромагнитного излучения. Добавьте сюда дальнейшие улучшения в составе и работе фотоэмульсий — и из глубин космоса уже выглядывает целый новый зоопарк различных видов галактик. Наибольший интерес среди них представ объекты, которые на фотографиях выглядели как обычные звезды, но, в отличие от звезд, обладали исключительно высоким радиоизлучением. В качестве рабочего описания для этих объектов был выбран термин «квазизвездный источник радиоизлучения», быстро сократившийся до одного слова — «квазар» [35] . Еще больший интерес вызвало даже не столько радиоизлучение данных объектов, сколько их удаленность: как отдельный класс небесных тел они оказались самыми далекими из всех известных нам объектов во всей Вселенной. Будучи столь небольшими и при этом обладая столь высокой светимостью, которая делала их видимыми на немыслимо огромных расстояниях, квазары явно походили на принципиально новый тип небесного объекта. Что значит «небольшими»? Не больше Солнечной системы. Что значит «высокая светимость»? Это значит, что даже самый захудалый и бледный квазар излучает больше света, чем среднестатистическая галактика.

35

Англ. термин quasistellar radio source, давший название квазарам (quasar), означает «Похожий на звезду источник радиоизлучения».