Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.

Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.

Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц — кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии — еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.

Главная тема нашего рассказа о Вселенной — это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^{–34}$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.

Расширяющаяся Вселенная

В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, — это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.

КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль- тате расширения пространства. Поскольку пространство растягивается, как оболочка воздушного шарика, галактики удаляют- ся друг от друга, а световые волны удлиняются (краснеют).

В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле — сам Большой взрыв.

Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое — и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст — всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей — через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) — сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, — перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.

Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных — сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.

Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007).

Слабый отблеск горячего начала

Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо — космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.

В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется — пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.

КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — это изображение Вселенной в младенческом возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения (отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим ключ к загадкам Вселенной — ее возрасту, плотности, составу и геометрии.

СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое чувствительное из когда-либо полученных изображений космоса, запечатлевшее более 1 тыс. галактик на ранней стадии их формирования.

Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие — протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.

ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном из темной энергии и темной материи; природа обеих неизвестна. Обычное вещество, из которого сформированы звезды, планеты и межзвездный газ, составляет лишь малую долю.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной — в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное — темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие — огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе — на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность — важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.

Ответы в кварковом супе

До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006).

Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.

Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов — нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.

Второй кандидат — аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.

Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества — примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.

Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано — примерно через $10^{-34}$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.

Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе — это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.

Рождение Вселенной

Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики — квантовой теорией, поэтому важнейшая задача — примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^{–43}$ с, когда формировалось само пространство-время.

Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее — к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004).

Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.

Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.

Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.

Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.

Если бы во Вселенной было еще больше темной энергии, она бы осталась почти бесформенной (слева), без тех крупных структур, которые мы видим (справа).

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

• The Early Universe. Edward W. Kolb and Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
• The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
• Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
• Dark Tnergy and the Accelerating Uni- verse. Joshua Frieman, Michael S. Turn- er and Dragan Huterer in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385–432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
• Черепащук А.М., Чернин А.Д. Гори- зонты Вселенной. Новосибирск: Изд- во СО РАН, 2005.

ОБ АВТОРЕ

Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.