Возраст Вселенной и старейшие звёзды

 

Представьте себе космический кинофильм, в котором перед зрителем разворачивается история Вселенной от момента её рождения в результате Большого взрыва до настоящего времени. Но вместо того, чтобы смотреть этот фильм как принято – с начала до конца, мы запустили его задом наперёд. Вместо расширения Вселенной мы увидим на экране её сжатие. Галактики будут подчиняться обращённому закону Хаббла – их скорости по-прежнему будут пропорциональны расстоянию между ними, только вместо того, чтобы удаляться, они будут сближаться. Попробуем проследить за одной из удалённых галактик по мере её приближения к нам. Используя обращённый закон Хаббла, мы можем прикинуть её скорость. Допустим, галактика находится в одном мегапарсеке от нас. Закон Хаббла говорит, что в этом случае скорость, с которой галактика приближается к нам, составит 75 километров в секунду. Зная расстояние до галактики и скорость, с которой она приближается, можно без труда вычислить время, через которое она свалится нам на голову. Я сделаю это за вас. Ответ: через 15 миллиардов лет – в предположении, что скорость приближения галактики всё это время остаётся постоянной.

А что, если мы возьмём галактику, находящуюся на расстоянии не один, а два мегапарсека? Закон Хаббла говорит нам, что её скорость приближения будет вдвое больше, и она преодолеет расстояние за те же 15 миллиардов лет. Таким образом, как мы видим, все галактики за 15 миллиардов лет сбегутся вместе и слипнутся в один недифференцированный комок.

Но галактики не движутся всё время с одной и той же скоростью, как мы предположили при нашем расчёте. При расширении Вселенной скорости галактик со временем уменьшаются из-за того, что гравитационное поле тормозит их движение. Значит, при просмотре нашего фильма задом наперёд движение галактик будет ускоряться, как и должно быть в действительности, ведь гравитационное поле тянет галактики друг к другу. Это означает, что до столкновения галактик пройдёт меньше времени, чем мы предположили. Когда космологи проделали более точные вычисления (для расширяющейся Вселенной), они пришли к выводу, что с момента, когда все галактики составляли единую плотную массу, прошло около 10 миллиардов лет. Это может означать, что всего 10 миллиардов лет назад водород и гелий начали образовывать первоначальные уплотнения, из которых в конце концов сформировались галактики. Следовательно, возраст Вселенной составляет 10 миллиардов лет.

Определение возраста Вселенной не обошлось без трудностей. Первоначально Хаббл недооценил расстояния между галактиками в десять раз и пришёл к выводу, что время, прошедшее с момента начала расширения, не превышает одного миллиарда лет. Но во времена Хаббла на основании содержания радиоактивных изотопов уже был определён возраст горных пород, самые древние из которых оказались старше двух миллиардов лет. Однако даже после уточнения шкалы расстояний всё равно оставалась одна досадная нестыковка. Астрофизики, изучавшие свойства звёзд в нашей Галактике, пришли к выводу, что старейшие из них старше Вселенной. Возраст самых старых звёзд составляет около 13 миллиардов лет, а Вселенной, как я уже говорил, – только 10 миллиардов. Выходило, что дети-звёзды на три миллиарда лет старше их матери-Вселенной!

Короче говоря, во Вселенной обнаружились три большие проблемы. Во-первых, противоречивые свидетельства относительно геометрии пространства: открытое оно, закрытое или плоское. Во-вторых, Вселенная оказалась моложе, чем самые старые звёзды. И в-третьих, мать всех проблем: отличается ли значение космологической постоянной от нуля, как первоначально считал Эйнштейн, и если нет, то почему? Зададим ещё один вопрос: связаны ли между собой эти проблемы? Разумеется, связаны.

 

Решение

 

Одним из возможных решений перечисленных выше проблем может оказаться исправление общей теории относительности. И некоторые физики, ухватившись за это предположение, с энтузиазмом принялись вносить изменения в теорию, которые проявлялись бы в виде возникновения дополнительных сил на больших расстояниях. Лично я не нахожу ничего конструктивного в таких попытках. Обычно они чрезвычайно надуманные, часто нарушают фундаментальные принципы и, на мой взгляд, без них можно обойтись.

Можно ещё предположить, что астрономы слишком переоценивают точность получаемых ими данных. Вы можете делать ставки против экспериментальных данных, противоречащих общим ожиданиям. Сырые данные почти всегда неточны, и дальнейшие эксперименты обычно подтверждают это. В этом случае я бы поставил против астрономических данных, а не против теории. Но, боюсь, я бы проиграл. По мере того как точность наблюдений растёт, новые результаты только подтверждают тот факт, что наблюдения противоречат теории. Что-то тут действительно глубоко неправильно.

Тем не менее есть одна возможность, которая не лежит на поверхности. А что, если значение космологической постоянной всё же отлично от нуля? Что, если величайшая ошибка Эйнштейна на самом деле была одним из его величайших открытий? Может ли космологическая постоянная разрешить наши противоречия?

Когда мы вычисляли, достаточно ли наблюдаемой массы Вселенной, чтобы сделать её плоской или закрытой, мы полностью проигнорировали возможность существования энергии вакуума. В мире с ненулевой космологической постоянной это было бы ошибкой. Уравнения Эйнштейна говорят, что на кривизну пространства влияют все  виды энергии. Энергия и масса эквивалентны, поэтому энергия вакуума тоже должна учитываться при расчёте средней плотности Вселенной. Обычная и тёмная материя вместе составляют около 30 % массы, необходимой, чтобы сделать Вселенную плоской или закрыть её. Очевидный выход – восполнить недостающие 70 % за счёт космологической постоянной. Это будет означать, что плотность энергии вакуума примерно в два с половиной раза больше суммарной плотности обычной и тёмной материи, или около 30 масс протона на кубический метр.

Поскольку космологическая постоянная добавляет силу отталкивания к закону всемирного тяготения, её наличие должно влиять на характер расширения Вселенной. В начальной фазе расширения влияние космологической постоянной практически не заметно, но по мере увеличения расстояния между галактиками сила отталкивания, создаваемая космологической постоянной, становится сопоставимой с силой притяжения. В конце концов космологическая постоянная способна привести к хаббловскому расширению Вселенной со всё увеличивающейся скоростью.

Обратим наш кинофильм вспять. Теперь галактики падают друг на друга, но сила отталкивания между ними ослабевает с уменьшением расстояния, а значит, наша оценка относительных скоростей галактик окажется завышенной, особенно для конечной стадии падения. Если не учесть вклад энергии вакуума, оценка времени, необходимого для падения всех галактик в общую кучу, окажется заниженной. Другими словами, если бы в закон тяготения действительно входила космологическая постоянная, а мы бы не знали об этом, то наш расчёт привёл бы к возрасту Вселенной меньшему, чем на самом деле. И в самом деле, если мы добавим к общей массе Вселенной энергию вакуума, эквивалентную 30 массам протона на кубический метр, то вместо прежних 10 миллиардов лет получим оценку возраста Вселенной в 14 миллиардов лет. А этот возраст уже прекрасно согласуется с данными наблюдений, поскольку он на миллиард лет превышает возраст самых старых звёзд.

Эти доводы в пользу существования ненулевой космологической постоянной настолько важны, что я хочу их повторить. Итак, предположение о существовании небольшой космологической постоянной, добавляющей 70 % к энергии Вселенной, решает две крупнейшие загадки космологии. Во-первых, этой дополнительной энергии достаточно, чтобы сделать Вселенную плоской, что снимает противоречие между наблюдаемой нулевой кривизной пространства и тем фактом, что известной массы Вселенной недостаточно, чтобы сделать её плоской.

Второй парадокс, снимаемый космологической постоянной, – возраст самых старых звёзд, которые оказываются старше Вселенной. Удивительно, что добавка тех же самых семидесяти процентов энергии вакуума, которые необходимы для того, чтобы сделать Вселенную плоской, приводит к тому, что Вселенная оказывается на миллиард лет старше самых старых звёзд.

 

Сверхновые I типа

 

В последние десятилетия нам удалось значительно повысить точность датировки основных событий в жизни Вселенной. Сегодня мы знаем историю Вселенной очень подробно. В этом нам помог особый класс событий, называемых вспышками сверхновых I типа. Вспышка сверхновой – это космический катаклизм, в ходе которого умирающая звезда коллапсирует под действием собственного гравитационного поля, превращаясь в нейтронную звезду и освобождая колоссальное количество энергии. В максимуме вспышки сверхновая сияет, как целая галактика. Поэтому вспышки сверхновых легко регистрируются даже в самых удалённых галактиках.

Все сверхновые представляют интерес для науки, но вспышки сверхновых I типа имеют одну существенную особенность. Они происходят в тесных двойных системах, где один из компонентов представляет собой обычную звезду, а второй является белым карликом. Белый карлик – умирающая звезда, массы которой недостаточно, чтобы сколлапсировать в нейтронную звезду.

В тесной двойной системе часть вещества обычной звезды постепенно перетекает на белый карлик, медленно увеличивая его массу. Как только масса белого карлика достигнет определённого предела, при котором он уже не может оставаться стабильным, белый карлик коллапсирует в нейтронную звезду; этот процесс сопровождается вспышкой сверхновой I типа. Поскольку финальный коллапс и сопровождающая его вспышка происходят при достижении белым карликом строго определённой массы, считается, что энергия, выделяемая при вспышке, всегда одна и та же и не зависит от начальных масс белого карлика или его компаньона. Поэтому астрономы уверены, что все сверхновые I типа имеют одну и ту же светимость.[55] Это позволяет астрономам определять расстояния до сверхновых I типа с высокой точностью.

Скорость галактики, в которой вспыхнула сверхновая, можно определить по доплеровскому смещению спектральных линий. А зная точные расстояния до галактик и их скорости, мы можем с высокой точностью вычислить значение постоянной Хаббла. Но особенность далёких галактик состоит в том, что свет, который мы сегодня регистрируем на земле, был излучён ими в далёком прошлом. Если расстояние до галактики составляет 5 миллиардов световых лет, значит, мы видим эту галактику такой, какой она была 5 миллиардов лет назад. Когда мы измеряем постоянную Хаббла для такой галактики, мы получаем то её значение, которое было 5 миллиардов лет назад.

Исследуя галактики, находящиеся на различных расстояниях, мы тем самым изучаем историю изменения постоянной Хаббла. Иными словами, сверхновые I типа позволяют нам многое узнать об истории Вселенной на различных этапах её эволюции. А самое главное, это позволяет нам сравнивать историю реальной Вселенной с математическими моделями, включающими и не включающими космологическую постоянную. Результаты не оставляют сомнений: расширение Вселенной ускоряется под влиянием космологической постоянной. Для таких физиков, как я, это потрясающий поворот судьбы, способный радикально изменить наш взгляд на мир: после полувековых попыток объяснить, почему энергия вакуума должна быть равна нулю, вдруг узнать, что она не ноль! Первые сто девятнадцать десятичных знаков космологической постоянной оказываются равны нулю, и вдруг в сто двадцатом появляется отличная от нуля цифра. Ещё более интересно, что её значение оказалось почти тем, которое предсказал Вайнберг, основываясь на антропном принципе!

 

Свет творения

 

Из-за того, что свет движется с конечной скоростью, большие телескопы, позволяющие заглянуть на огромные расстояния, показывают нам далёкое прошлое. Мы видим Солнце таким, каким оно было 8 минут назад, ближайшую звезду – такой, какой она была 4 года назад. Когда свет от ближайшей к нам галактики Андромеды, который мы видим сегодня, начал своё путешествие продолжительностью в два миллиона лет, наши далёкие предки только-только освоили прямохождение.

Самый древний свет, который мы регистрируем на Земле, начал своё путешествие 14 миллиардов лет назад. Этот свет возник, когда не существовало ещё не только Земли, но даже самых старых звёзд во Вселенной, а водород и гелий ещё не начали образовывать сгущения, из которых впоследствии сформировались галактики. Температура и плотность вещества Вселенной были в то время столь большими, что все атомы находились в ионизованном состоянии. Это был самый ранний момент творения, который мы способны увидеть, по крайней мере, используя электромагнитное излучение.

Представьте Вселенную в виде набора концентрических сферических оболочек, в самом центре которого находится Земля. Разумеется, никаких концентрических оболочек на самом деле нет, но ничто не запрещает нам разделить окружающее нас пространство таким способом. Каждая следующая оболочка находится от нас дальше предыдущей, и каждую следующую оболочку мы видим в более ранний момент времени, чем предыдущую. Проникая взглядом всё дальше и дальше, мы как бы видим историю Вселенной в виде запущенного задом наперёд кинофильма.

Чем дальше мы смотрим, тем более плотно населённая галактиками Вселенная предстаёт нашему взгляду. В запущенном задом наперёд вселенском кино вещество становится всё более плотным, будто бы гигантский поршень спрессовывает его всё сильнее и сильнее. Этим поршнем, разумеется, является гравитация. Кроме того, по мере сжатия меняются свойства материи: она становится всё горячее по мере того, как увеличивается её плотность. Сегодня средняя температура Вселенной всего 3 градуса выше абсолютного нуля, или –270 °C. Но по мере того, как мы углубляемся в прошлое, температура Вселенной растёт – сначала до комнатной, потом до температуры кипения воды и, наконец, достигает температуры солнечной поверхности.

Температура Солнца настолько высока, что составляющие его атомы покидают солнечную фотосферу в результате интенсивного теплового движения. Атомные ядра при этой температуре остаются нетронутыми, но наиболее слабо связанные электроны отрываются от атомов и образуют вместе с потерявшими их ионами проводящий электричество газ, называемый плазмой. [56]

Электропроводящие материалы, как правило, непрозрачны. Свободно движущиеся электроны с лёгкостью поглощают или рассеивают свет. Именно интенсивное рассеяние света плазмой делает солнечную фотосферу непрозрачной. Однако по мере удаления от центра Солнца наступает такой момент, когда температура и плотность солнечного вещества падают настолько, что вещество становится прозрачным. В этом состоит причина, по которой мы видим резкую границу солнечного диска.

Теперь отправимся в путешествие назад во времени и в глубины Вселенной, пока не достигнем оболочки, условия в которой сравнимы с условиями в солнечной фотосфере. Что же получается: самый древний свет, который мы регистрируем, излучается гигантской, похожей на солнечную поверхность, состоящей из горячей плазмы оболочкой, окружающей нас со всех сторон. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. К сожалению, из-за непрозрачности плазмы это – самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре. Мы не можем заглянуть за эту поверхность, точно так же как не можем заглянуть внутрь солнечной фотосферы.

Непосредственно после Большого взрыва каждый кусочек поверхности последнего рассеяния был таким же горячим, как и поверхность Солнца. Естественно, возникает вопрос: «Почему, глядя на ночное небо, мы не видим окружающей нас сияющей сферы, состоящей из горячей плазмы?» Или, другими словами: «Почему всё ночное небо не светится так же ярко, как поверхность Солнца?» От ужасной перспективы быть зажаренными заживо нас спас эффект Доплера. Из-за хаббловского расширения плазма, излучающая этот свет, удаляется от нас с огромной скоростью. Используя закон Хаббла, мы можем рассчитать скорость удаления поверхности последнего рассеяния, и она окажется всего лишь на ничтожную величину меньше скорости света. Это означает, что испускаемый ею свет испытывает колоссальное красное смещение – далеко за инфракрасную часть спектра, в область микроволнового излучения. Здесь играет ключевую роль один из первых открытых квантово-механических законов: энергия фотона зависит от его длины волны, и фотон микроволнового излучения имеет в 1000 раз меньшую энергию, чем фотон видимого света. По этой причине фотоны, излучаемые поверхностью последнего рассеяния, достигают нас, имея не более 1/1000 своей первоначальной энергии. Они не регистрируются сетчаткой нашего глаза и могут быть обнаружены только при помощи радиотелескопов.

Существует ещё один способ понять, как происходит уменьшение энергии космического излучения к тому моменту, когда оно достигает нас. На поверхности последнего рассеяния было очень жарко: примерно так же жарко, как на поверхности Солнца. Излучённые этой поверхностью фотоны заполнили пространство, образуя своего рода фотонный газ, и он, как и все газы, расширяясь, охлаждается. Благодаря расширению Вселенной со времени Большого взрыва фотонный газ остыл настолько, что потерял большую часть своей энергии. Сегодня реликтовое излучение (микроволновый космический фон) очень холодное, его температура меньше чем на 3 градуса отличается от абсолютного нуля. Приведённые два объяснения потери мощности реликтовым излучением математически полностью эквивалентны.

Георгий Гамов – тот самый Гамов, который написал книгу «Раз, два, три… бесконечность», вдохновившую стольких детей моего поколения заняться наукой, был первым учёным, предложившим гипотезу Большого взрыва. Вскоре двое его молодых коллег, Ральф Альфер и Роберт Герман, выдвинули идею о реликтовом излучении, оставшемся от эпохи горячей Вселенной. Они даже предсказали температуру этого излучения – 5 градусов выше абсолютного нуля, что всего лишь на два градуса отличается от наблюдаемого значения. Но физики того времени не верили, что столь слабое излучение когда-либо удастся зарегистрировать. И они ошибались, ибо уже в 1963 году микроволновый космический фон был обнаружен.

В то время принстонский космолог Роберт Дикке разрабатывал эксперимент, который позволил бы измерить космический микроволновый фон, оставшийся от Большого взрыва. Пока он строил свой детектор, двое молодых учёных из Лаборатории Белла провели именно тот эксперимент, который планировал Дикке. Арно Пензиас и Роберт Вильсон сканировали небо вовсе не в поисках реликтового излучения, а с исключительно утилитарными целями в ходе работы над телекоммуникационными технологиями. Им никак не удавалось идентифицировать странный микроволновый фон, который мешал работать системам связи. Согласно легенде, они предполагали, что источником фона является птичий помёт.

Принстонский университет и Лаборатория Белла находятся недалеко друг от друга в центральной части Нью-Джерси, и словно по воле судьбы Дикке случайно узнал о проблемах Пензиаса и Вильсона и догадался, что они «слышат» микроволновое эхо Большого взрыва! Дикке связался с учёными из Лаборатории Белла и изложил им свою версию наблюдаемого явления. Впоследствии Пензиас и Вильсон получили за открытие микроволнового фона Нобелевскую премию. Это была действительно рука судьбы, потому что будь Принстонский университет и Лаборатория Белла дальше друг от друга, Дикке, возможно, закончил бы свой эксперимент и оказался первым, сделавшим это открытие.

Детектор Пензиаса и Вильсона был грубой громоздкой конструкцией, установленной на крыше Лаборатории Белла. Современные детекторы микроволнового излучения обладают высокой чувствительностью и сложными цепями обработки сигнала и устанавливаются, как правило, на космических аппаратах, находящихся далеко за пределами земной атмосферы. Эти детекторы способны избирательно улавливать реликтовое излучение, исходящее с одного направления, и с их помощью была построена детальная карта микроволнового фона.

Одной из самых ярких особенностей карты реликтового излучения является отсутствие на ней ярких особенностей. Реликтовое излучение в очень высокой степени изотропно. При взгляде на карту, кажется, что в начале времён Вселенная была почти идеально однородной и изотропной. Приходящее с поверхности последнего рассеяния реликтовое излучение практически одинаково в любой точке неба. Этот факт чрезвычайной степени изотропности реликтового излучения несколько озадачивает и требует объяснения.

Какой бы гладкой ни была Вселенная в это раннее время, она не могла быть идеально гладкой. В ней обязательно должны были присутствовать небольшие изначальные неоднородности, которые в последующем послужили затравками для формирования галактик. Если бы эти «зёрна» были слишком малы, галактики не смогли бы сформироваться, но если бы они были слишком велики, всё вещество сконденсировалось бы на них и рухнуло в чёрные дыры. Космологи абсолютно уверены, что под этим унылым однородным фоном скрываются семена будущих галактик. Более того, они даже вычислили, насколько велики должны быть первоначальные неоднородности, чтобы привести к возникновению наблюдаемых сегодня галактик: разница между интенсивностью микроволнового фона в разных направлениях должна быть примерно в сто тысяч раз меньше, чем его средняя интенсивность.

Каким же образом, спросите вы, зарегистрировать на Земле столь исчезающе малый контраст? Ответ в том, что нужно заниматься этим не на Земле. На Земле слишком большой уровень засорённости эфира всевозможными электрическими и радиопередающими устройствами. Правда, самые первые эксперименты по обнаружению вариаций фона реликтового излучения были всё же проведены на Земле, но детектор был помещён на стратостат, запускаемый с Южного полюса. Южный полюс хорошо подходит для этой цели по ряду причин, не последней из которых является то, что стратостат не улетит слишком далеко от точки запуска. Преобладающие ветра, конечно же, унесут стратостат в кругосветное  путешествие, но это путешествие не будет очень длинным, если вы находитесь на Южном полюсе. Поэтому эксперимент был назван «Бумеранг»!

Высоко над Южным полюсом детекторы микроволнового излучения измеряли его интенсивность в двух направлениях и автоматически вычисляли разницу. Теоретики затаили дыхание – но никто не знал точно, выйдет ли что-нибудь интересное из этой затеи. Возможно, небо останется унылым, однородным и серым, и им придётся вернуться к чертёжным доскам и заняться редизайном теории формирования галактики. Все, кто имел хотя бы какой-нибудь интерес к космологии, ждали вердикта присяжных. Приговор оправдал все чаяния адвокатов. Теоретики были правы. Космическая овсянка действительно оказалась комковатой, и относительная величина этих комков была именно такой, какая предсказывалась: 10–5 – одна стотысячная.

Космическое пространство – ещё лучшее место для измерения фона космического микроволнового излучения. Данные, полученные с орбитального космического аппарата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, часто называемого WMAP (дабл-ю-мап), оказались настолько точными, что позволили не только подтвердить существование неоднородностей величиной в 10–5, но и привели к открытию колебательных движений огромных осциллирующих пузырей горячей плазмы, образующей поверхность последнего рассеяния.

Открытие этих огромных пузырей синхронно движущейся плазмы вовсе не было неожиданностью. Космологи давно предсказывали, что расширение Вселенной приведёт к началу образования плазменных комков, вибрирующих подобно церковным колоколам. Всё начинается с маленьких сгустков, соединяющихся друг с другом по мере расширения. Затем они объединяются в ещё более крупные сгустки, осциллирующие с меньшей частотой и т. д., формируя прекрасно предсказуемую симфонию. Подробные расчёты показывают, что в каждый конкретный момент времени крупнейшие осциллирующие сгустки должны иметь строго определённый размер. Таким образом, когда WMAP «увидел» эти колеблющиеся капли, космологи уже представляли, какой размер должны иметь самые крупные из них.

Знания о размере крупнейших осциллирующих сгустков дали нам в руки выигрышный билет: теперь стало возможным построить гигантский космический треугольник и измерить кривизну пространства. Вот как это было сделано.

Предположим, что вы знаете размер объекта и расстояние до него. В этом случае вы можете предсказать, под каким углом будет виден этот объект на небесной сфере. Возьмём Луну. Диаметр Луны составляет около 3500 километров, а расстояние до Луны – 384 000 километров. Зная это, я без труда вычислю, что лунный диск будет виден на небе под углом примерно в полградуса. По удивительному совпадению Солнце в 400 раз больше Луны, но при этом оно находится в 400 раз дальше. В результате Солнце и Луна видны на небе как диски одинаковой величины под углом в полградуса. Если бы мы посмотрели с Луны на Землю, которая имеет диаметр 12 800 километров, то есть почти в четыре раза больше Луны, то увидели бы земной диск под углом примерно в два градуса.

Проделывая эти вычисления, я предположил, что пространство плоское. Представьте, что диаметр Луны – это одна из сторон треугольника. Две другие стороны образованы прямыми линиями, проведёнными от крайних точек диаметра Луны к наблюдателю.

Если пространство между Землёй и Луной плоское, то мои вычисления верны. Но если пространство искривлено, то ситуация меняется. Например, в случае положительной кривизны пространства угол, под которым будет видна Луна с Земли, окажется больше половины градуса, если же кривизна пространства отрицательна, то соответствующий угол будет меньше, чем полградуса.

 

 

Теперь предположим, что мы независимым способом измерили диаметр Луны и расстояние до неё. Тогда на основании видимого углового размера Луны можно сделать заключение о кривизне пространства. С очень высокой степенью точности пространство между Землёй и Луной оказывается плоским.

Вернёмся к нашим космическим геодезистам. Мы знаем, что наибольший размер осциллирующих пузырей в момент времени, соответствующий образованию реликтового излучения, составляет порядка 200 000 световых лет. Пузыри большего размера в тот момент ещё не начали образовываться.

Сегодня источник космического микроволнового излучения находится от нас на расстоянии около 10 миллиардов световых лет, но в то время, когда это излучение только начало своё путешествие, расстояние от того места, где мы сейчас находимся, до поверхности последнего рассеяния было в тысячу раз меньше, то есть 10 миллионов световых лет. Этого достаточно для вычисления угла, под которым должен наблюдаться диаметр наибольших пузырей WMAP, если пространство является плоским. Этот угол будет порядка двух градусов, то есть пузыри должны быть такого же углового размера, как Земля с Луны. Если же пространство не является плоским, то угловой размер пузырей покажет нам, в какую сторону оно искривлено.

Что же показали данные WMAP? Они показали правоту Евклида! Пространство – плоское.

Позвольте мне сделать небольшое лирическое отступление. Путём измерения треугольников на поверхности Земли можно показать, что она имеет форму сферы. Но на практике, до тех пор пока треугольники, которые мы строим, не слишком велики, мы обнаруживаем, что результаты наших измерений оказываются такими, как будто Земля плоская. Очевидно, что Колумб не мог бы убедить короля Испании в том, что Земля круглая, нарисовав несколько треугольников во дворе королевского дворца. Ему потребовалось бы построить треугольник со сторонами, по крайней мере, в несколько сотен километров, и даже тогда результаты измерений суммы углов отличались бы от 180 градусов на очень малую величину. Все, что мог сказать Колумб на основании своих геодезических изысканий, – это то, что Земля очень большая.

То же самое верно и в отношении космических геодезистов: всё, что они могут сказать, – это то, что Вселенная выглядит плоской на масштабах от 10 до 20 миллиардов световых лет. Это означает, что если Вселенная конечна, то она простирается гораздо дальше, чем мы можем видеть.

Итак, что же мы знаем? Обычной материи, образующей звёзды и газово-пылевые облака, недостаточно для того, чтобы сделать Вселенную плоской. По первоначальным данным её было в 50 раз меньше, чем нужно. Но космология уже давно стала точной количественной наукой, и по сегодняшним меркам обычная материя – это ещё не всё, что есть во Вселенной. Без других, скрытых от прямого наблюдения, форм материи Вселенная будет открытой и с отрицательной кривизной. Но количество материи во Вселенной примерно в 10 раз больше, чем мы непосредственно наблюдаем, и эта тёмная материя проявляет себя своим гравитационным полем. В состав тёмной материи могут входить новые элементарные частицы, которые вряд ли взаимодействуют с обычным веществом. Эти частицы должны заполнять галактики, беспрепятственно пролетая сквозь звёзды, планеты и даже сквозь нас. Но и их недостаточно, чтобы сделать Вселенную плоской или закрытой. Поскольку Вселенная плоская, то в ней должен присутствовать ещё один вид массы или энергии, пронизывающей всё пространство.

Возраст Вселенной оказывается слишком мал, если только история её расширения не отличается от вычисляемой на основе предположения, что в ней существует только обычная и тёмная материя. Единственное общепринятое на сегодня объяснение состоит в признании существования ненулевой космологической постоянной, ускоряющей расширение Вселенной. Совершенно неожиданно факт ускоренного расширения Вселенной был подтверждён наблюдениями вспышек сверхновых I типа, которые, как в пущенном задом наперёд кинофильме, разворачивают перед нами историю эволюции Вселенной. Самое лучшее объяснение парадокса возраста Вселенной состоит во введении в уравнения Эйнштейна космологической постоянной, значение которой совпадает с предсказанным Вайнбергом на основе антропного принципа.

Данные о космическом микроволновом фоне неопровержимо свидетельствуют, что ранняя Вселенная была чрезвычайно однородна. Кроме того, эти данные позволяют нам построить гигантский космический треугольник, результаты измерения которого говорят о том, что пространство Вселенной плоское. Из этого следует, что Вселенная гораздо больше, чем её наблюдаемая часть, и что её расширение ускоряется под влиянием очень малой космологической постоянной.

 

Инфляция

 

В Соединённых Штатах стали привычными шутки на тему того, как коммунистическая пропаганда уверяла, что всё, что когда-либо было изобретено на земле, было изобретено в России: радио, телевидение, лампочка накаливания, самолёт, абстрактная живопись и даже бейсбол. Однако в области физики некоторые из этих шуток оказались правдой. Советские физики так долго пребывали в изоляции от остального научного мира, что многие из их чрезвычайно важных открытий остались неизвестными на Западе, например замечательная гипотеза о начале расширения Вселенной. Более четверти века тому назад молодой космолог Алексей Старобинский сформулировал теорию, называемую инфляционной. Инфляция – возможно, важнейшее космологическое открытие после Большого взрыва, но только несколько советских учёных в то время смогли оценить эту потрясающую идею. Никто в Соединённых Штатах ничего не знал об инфляционной теории, пока значительно позже молодой «пост-док» в моём университете не переоткрыл её.

Свежеиспечённый доктор философии Алан Гут, специалист в области высокоэнергетической теоретической физики, работал в то время в Стэнфордском центре линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC). Когда я впервые встретился с ним в 1980 году, он был ярким молодым физиком, написавшим несколько работ по текущим проблемам. В то время только несколько специалистов в области элементарных частиц разбирались в космологии. Я входил в их число, поскольку двумя годами ранее работал с Савасом Димопулосом над проблемой преобладания в природе частиц над античастицами. Мой друг Боб Вагнер тогда спросил меня, имеется ли у теории элементарных частиц какое-нибудь объяснение преобладания материи над антиматерией. У нас с Димопулосом была правильная идея, но мы были полными профанами в космологии, настолько, что путали размер горизонта с масштабным фактором. Это всё равно, как если бы автомеханик не мог отличить рулевого колеса от ведущего. Но под крылом Боба мы быстро ликвидировали свою безграмотность и в конце концов написали первую за пределами СССР статью о барионном синтезе. Вы будете смеяться, но барионный синтез тоже был открыт в СССР. И сделал это ещё за 12 лет до нас не кто иной, как Андрей Сахаров.

В общем, я уже кое-что знал о космологии, когда Алан пришёл в SLAC. Хотя мы и были дружны, я не знал, что он тоже ею интересуется. То есть я не знал этого, пока он не провёл семинар о чём-то, что он назвал «инфляционной космологией». Думаю, что я был одним из двоих или троих слушателей, кто смог по-настоящему оценить эту идею.

Алан дал ответ на один из сложнейших вопросов: «Почему Вселенная настолько огромная и плоская и настолько однородная?» Чтобы понять, в чём сложность этого вопроса, вернёмся к реликтовому излучению и посмотрим на две различные точки на небе. В те времена, когда реликтовое излучение рождалось горячей плазмой, эти две точки находились на определённом расстоянии друг от друга. Фактически если на небесной сфере эти точки разделяет угловое расстояние в несколько градусов, то в момент рождения реликтового излучения физическое расстояние между ними было настолько большим, что ни свет, ни любой другой сигнал не мог дойти от одной точки до другой. Вселенная в то время насчитывала около полумиллиона лет, так что если точки разделяло расстояние более полумиллиона световых лет, вещество в одной точке не могло взаимодействовать с веществом в другой. Но если вещество в этих точках никогда не взаимодействовало, то что сделало эти два места так похожими одно на другое? Иными словами, каким образом Вселенная ухитрилась стать настолько однородной, чтобы интенсивность реликтового излучения была почти одинаковой во всех направлениях?

Чтобы прояснить это место, вернёмся к аналогии, представляющей Вселенную в виде надувающегося воздушного шарика. Представьте себе шарик в сдутом состоянии, сморщенный, как чернослив. По мере надувания шарика морщины начинают расправляться. Первыми расправляются мелкие морщины, затем более крупные. Для разглаживания морщины заданного размера необходимо определённое время, требуемое для того, чтобы разглаживающая её волна прошла расстояние, равное размеру морщины. В случае Вселенной это время, которое требуется свету, чтобы преодолеть расстояние, равное размеру разглаживаемой неоднородности.

Если в эпоху генерации реликтового излучения большие морщины не успевали разгладиться, то мы должны видеть их отпечатки на небесной сфере в виде неоднородностей реликтового фона. Но мы не видим никаких морщин на небе. Что же сделало Вселенную такой гладкой? Не скрывается ли за непрозрачной плазмой поверхности последнего рассеяния недоступная нашему взгляду длинная предыстория, в ходе которой были разглажены все морщины? Именно эту предысторию и описывает инфляционная теория.

Объяснение Аланом плоскости и гладкости ранней Вселенной оказалось очень простым (точно таким же, как и объяснение Старобинского). Вселенная была надута, как воздушный шарик, только это был не совсем обычный воздушный шарик. Обычный воздушный шарик, если его сильно надуть, лопнет. Вселенная Алана раздувалась экспоненциально  и за очень короткое время стала невероятно огромной. Инфляционная стадия, образно выражаясь, пре