2359-1 (684143), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однако, кем бы ни была скрытая масса, совершенно ясно, что ее влияние на структуру и динамику Вселенной чрезвычайно велико. Ведь именно гравитация определяет лицо мира, его сегодняшнее поведение и будущее устройство. Воздействие темной материи, в 10 раз более сильное, чем всех видимых галактик и скоплений, необходимо точно знать и учитывать в космологических моделях.
Инфляционная эра
Вторая проблема – короткий, но чрезвычайно важный этап жизни Вселенной, получивший название инфляционной эры. Он самый начальный и настолько мимолетный – всего 10–32 с (!), – что, казалось бы, мог пройти незамеченным. Как бы не так. В это время только что возникшая Вселенная – крохотный пузырек размером меньше атома – стремительно раздувалась (inflation и есть раздувание), вырастая до астрономических размеров.
Необходимость введения инфляционной эры возникла у космологов тогда, когда они осознали невозможность объяснить некоторые парадоксальные свойства реликтового излучения, например, одинаковую температуру далеких друг от друга и потому причинно не связанных частей Вселенной (расстояние между которыми больше пути, проходимого светом за время жизни Вселенной). Разгадка проста: в начале инфляционной эры они-таки были причинно связанными и могли обмениваться сигналами, уравнивая свою температуру, а разошлись так далеко в результате стремительного раздувания.
Инфляционная эра – настоящий Клондайк современной астрофизики. Именно в этот крохотный промежуток времени возникла вся масса Вселенной – как пена на бесконечно глубокой потенциальной энергии вакуума, выделилась огромная энергия, нагревшая вещество до высокой температуры (сделавшая Вселенную горячей), и произошли распады тяжелых частиц, создавшие избыток вещества над антивеществом (протонов, нейтронов и электронов над антипротонами, антинейтронами и позитронами), в результате чего наша Вселенная и состоит только из вещества (после того как аннигилировали – взаимно уничтожились – равные количества частиц и античастиц). Понятен тот огромный интерес, который проявляют к этой «золотой жиле» физики-теоретики. Надо отметить также, что инфляционная эра – самая близкая к моменту Большого Взрыва. Кто знает, какие еще открытия и потрясения ожидают дотошных космоархеологов в этой «долине царей».
Выбор Вселенной
Вариантов космологических моделей много, а Вселенная одна. Значит, надо отобрать тот единственный вариант, который был реализован, и наконец понять, в каком Доме мы живем. Почти весь ХХ в. прошел под знаменем этой великой задачи – в поисках тестов выбора правильной модели и их проверок в наблюдениях. Но до сих пор результат остается неопределенным: Вселенная может быть любым из указанных Фридманом типов – открытой, плоской и замкнутой. Мы все еще не знаем в точности устройства, главных параметров и будущего поведения нашего мира. Будет ли Вселенная бесконечно расширяться, или когда-нибудь расширение сменится сжатием и она уйдет в начальную сингулярность? Разве можно спокойно жить, не зная ответа?
На самом деле все не так трагично. Наиболее умудренные космологи уже интуитивно получили ответ и считают, что, скорее всего, мы живем в плоской Вселенной, где средняя плотность вещества (видимого и скрытого) равняется критической, геометрия пространства евклидова и мир в целом не имеет кривизны. К этому их склоняют не только результаты анализа космологических тестов, но и соображения «эстетической красоты», которые так ценил Эйнштейн и которые помогли ему выбрать именно тот вариант теории тяготения (общую теорию относительности), который до сих пор считается лучшим, согласуясь со всеми результатами наблюдений.
Но в науке самый главный критерий истины все же не интуиция (даже самых выдающихся людей, которые тоже иногда ошибаются), а результаты опыта и точного анализа. Поэтому с прежним упорством наблюдатели, получающие в свое распоряжение все более изощренные приборы и методы анализа, продолжают поиски единственного варианта нашего вселенского Дома. На этом пути, кроме уточняющихся результатов старых тестов, появилась в последнее время совершенно новая возможность, связанная с подробными исследованиями температуры реликтового излучения.
Анизотропия реликтового излучения
Так ли уж изотропен реликтовый фон? С точностью до 0,01 % он действительно одинаков во всех направлениях, чего достаточно, чтобы отбросить все попытки объяснить его близкими источниками и принять как излучение всей Метагалактики. А что будет, если еще повысить точность измерений?
20 лет назад такой эксперимент провела американская группа на высотном самолете-лаборатории и обнаружила заметную анизотропию реликта: в некоторой области небесной сферы температура излучения была чуть выше – максимальная разница составляла 3,5 мК, а в противоположной – на такую же величину меньше. Был открыт так называемый дипольный компонент анизотропии, получивший очень простое и естественное объяснение. Он обусловлен доплеровским смещением частоты (а значит, и температуры) излучения, принимаемого движущимся наблюдателем. Это тот же эффект, по которому высота гудка приближающегося поезда выше, а удаляющегося – ниже, чем стоящего. Реликтовые фотоны налетают со всех сторон; летящие навстречу наблюдателю окажутся более энергичными, а догоняющие «в хвост» – менее энергичными, чем приходящие сбоку. Этот эксперимент показал, что Земля (вместе с Солнечной системой, Галактикой и другими адресными подструктурами) движется со скоростью 370 км/с относительно далекого вещества, испустившего реликтовое излучение. Сам по себе этот результат очень интересен. Найдена инерциальная система, которую искали в начале века, решая проблему мирового эфира. Тогда опыт Майкельсона показал, что такой системы нет и эфира с приписываемыми ему свойствами упругой среды не существует. Эфир действительно сейчас физике не нужен, но избранная система отсчета (в некотором смысле абсолютная) все же, оказывается, существует.
За вычетом дипольного компонента реликтовое излучение на небесной сфере представляет равномерную «рябь», вызванную статистическими и приборными погрешностями. Конечных значений более мелкой анизотропии долго не находили, пока не были проведены на спутниках уникальные эксперименты РЕЛИКТ (СССР, 1984) и COBE (США, 1992). Первый показал, что более высокие анизотропные компоненты отсутствуют до уровня dТ / Т = 10–5, и этот факт свидетельствовал о большом количестве холодной темной материи (движущейся со скоростями много меньше скорости света). Второй открыл целый спектр анизотропных компонентов, которые, как сыпь, покрывают все небо и имеют весьма большие размеры (1 – 90о). Это следы тех первичных флуктуаций плотности вещества, которые появились в момент рекомбинации плазмы и из которых развились все наблюдаемые структуры Вселенной. Большой размер неоднородностей – аргумент в пользу инфляционной эры, поскольку зарождались они (в темной материи) именно в то далекое время и успели сильно вырасти.
Анизотропия реликтового фона на уровне 20–40 мкК – установленный факт. Ее компоненты, сохранившие отпечатки прошедших эпох, могут сослужить верную службу, став космологическим Розетским камнем в воссоздании истории «давно минувших дней».
Измерения реликтового излучения детекторами на высотных аэростатах подтвердили выводы спутниковых экспериментов и смогли продлить спектр анизотропных компонентов до высоких моментов. Результаты всех опытов приведены на рис. 2.
Рис. 2. Спектр неоднородностей (анизотропии) реликтового излучения: по оси абсцисс – мультипольный момент, по оси ординат – температурные флуктуации; точки с погрешностями – экспериментальные данные, кривые – результаты расчета по инфляционной модели (а) и модели топологических дефектов (б)
Точками показаны экспериментальные данные, кривыми – ожидаемые спектры в разных моделях первичных флуктуаций плотности. Хотя ошибки измерений еще очень велики, эксперименты лучше согласуются с предсказанием инфляционной модели (кривая а) и почти наверняка отвергают модель топологических дефектов (кривая б). В расчет заложены все космологические параметры Вселенной и, если измерения будут более точными, особенности расчетного спектра (растущая часть, положение и амплитуды трех пиков, крутой спад) могут быть точно «привязаны», в результате чего параметры станут известны с точностью, недоступной для других космологических тестов (пока неопределенность составляет 50%). Сейчас готовятся два новых прецезионных спутниковых эксперимента: MAP (США, запуск в 2001 г.) и Planck (Европейское космическое агентство, 2007 г.), результаты которых позволят определить параметры Вселенной с точностью до 5% (рис. 3), – и проблема выбора модели будет снята с повестки дня. Трудно переоценить общенаучную важность проводимых исследований – она сопоставима с самыми громкими открытиями прошлых веков, заложившими основы знания об окружающем мире.
Рис. 3. Тот же спектр анизотропии реликтового излучения, как он будет измерен в экспериментах МАР и Planck для модели плоской Вселенной с определенным набором космологических параметров
А что дальше?
И все же на этом дело не остановится – наука всегда в пути. Уже видны новые проблемы и задачи, которые ставит неугомонная природа. Одной из них, касающейся структуры Вселенной, является проблема «130 Мпк шкалы». Суть ее заключается в том, что скопления галактик и воиды расположены не хаотично, а строго определенно: наблюдается периодичность их чередования с шагом 130 Мпк. Ни из современной теории, ни из модели блинов такая периодичность вовсе не следует. Что это – указание на неизвестные еще детали устройства нашего Дома или следствие чрезмерной подозрительности исследователей – покажут дальнейшие, более точные наблюдения.
К числу беспокоящих (нерешенных или непонятых) проблем относится и так называемый антропный принцип, обсуждаемый с переменным успехом в течение последних десятилетий. Он является формальным ответом на вопрос, почему мировые физические константы так точно «подогнаны» (до нескольких процентов) к тому эволюционному пути, которым прошла Вселенная: Большой Взрыв – расширение Метагалактики – образование звезд, галактик и скоплений – синтез элементов, включая С, N, О, из которых строятся органические вещества – зарождение жизни – появление человека, наблюдателя природы. Согласно антропному принципу, Вселенная устроена таким образом, что в ней обязательно должен появиться наблюдатель. Другие вселенные, с иным набором констант, ненаблюдаемы, т.к. в них эволюционная цепь оборвалась на промежуточном звене: синтез элементов не пошел дальше гелия, не успели образоваться звезды и т.д. Что в действительности кроется за антропным принципом и идеей множества вселенных, пока неясно. Но, как известно, нераскрытых тайн в науке не бывает – будет дан точный ответ и на этот трудный вопрос.
Возможно, нам все-таки придется дополнить свой адрес указанием скопления вселенных или других структурных единиц.
Просто Дом продолжает строиться в нашем сознании, уточняясь и совершенствуясь.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://archive.1september.ru/
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
