Страница 129 из 151
Рис. 14.4. (а) Данные по реликтовому излучению, собранные спутником COBE. Это излучение стало беспрепятственно пронизывать пространство спустя примерно 300 000 лет после Большого взрыва, так что на картинке отражены мельчайшие температурные вариации, существовавшие во Вселенной примерно 14 млрд лет тому назад. (б) Более точные данные, собранные спутником WMAP
Наплыв точных данных сузил поле космологических предположений, среди которых ведущее место, несомненно, занимает инфляционная модель. Но, как мы упоминали в главе 10, инфляционная теория является не единственным кандидатом. Теоретики предложили множество различных версий (старая инфляция, новая инфляция, тёплая инфляция, гибридная инфляция, гиперинфляция, вспомогательная инфляция, вечная инфляция, расширенная инфляция, хаотическая инфляция, двойная инфляция, маломасштабная инфляция, гипернатуральная инфляция — и это ещё не всё), каждая из которых характеризуется кратким периодом быстрого расширения, но все они разнятся в деталях (количеством полей, формой их потенциальной энергии и т. д.). Эти различия ведут к немного разным предсказаниям свойств реликтового излучения (различные поля с различными энергиями испытывают немного разные квантовые флуктуации). Сравнение с данными спутников WMAP и «Planck» должно отсеять множество предположений, значительно улучшив наше понимание.
На самом деле эти данные могут ещё больше сузить поле предложений. Хотя квантовые флуктуации, растянутые инфляционным расширением, дают убедительное объяснение наблюдаемым температурным вариациям, но у инфляционной модели есть достойный соперник. Циклическая космологическая модель Стейнхардта и Тьюрока, описанная в главе 13, предлагает альтернативное объяснение. По мере того как две 3-браны циклической модели медленно направляются друг к другу, квантовые флуктуации вынуждают различные части бран приближаться с разной скоростью. Когда браны наконец-то сталкиваются приблизительно триллион лет спустя, то различные области бран соприкасаются немного в разные моменты времени, примерно как при соединении двух кусков шершавой наждачной бумаги. Крохотные отклонения от совершенно однородного соприкосновения порождают небольшие отклонения от совершенно однородной эволюции на каждой бране. Поскольку по предположению одна из этих бран является нашим трёхмерным пространством, то эти отклонения от однородности мы и должны обнаружить. Стейнхардт, Тьюрок и их сторонники заявили, что эти неоднородности порождают температурные отклонения той же формы, что и в инфляционной модели, и, следовательно, при сопоставлении с имеющимися сейчас данными циклическая модель даёт столь же жизнеспособное объяснение данным наблюдений.
Однако более точные данные, которые будут получены в следующее десятилетие, возможно, отсеют одну из соперничающих моделей. В инфляционной модели не только квантовые флуктуации растягиваются инфлатонным полем при экспоненциальном расширении, но в результате этого интенсивного растяжения генерируется также и мельчайшая квантовая рябь ткани пространства. Поскольку рябь пространства есть не что иное, как гравитационные волны (как в нашем недавнем обсуждении LIGO), то инфляционная модель предсказывает порождение гравитационных волн в самые ранние моменты Вселенной.{283} Эти волны часто называют реликтовыми гравитационными волнами, чтобы отличать их от волн, которые были относительно недавно сгенерированы в результате крупных астрофизических событий. В циклической же модели, наоборот, отклонение от совершенной однородности происходит медленно, в течение почти безмерного промежутка времени, поскольку у бран уходит триллион лет на медленное приближение друг к другу для следующего столкновения. Отсутствие резкого и сильного изменения геометрии бран и геометрии пространства означает, что пространственная рябь не генерируется, так что в циклической модели реликтовые гравитационные волны отсутствуют. Таким образом, если реликтовые гравитационные волны будут обнаружены, то это обернётся ещё одним триумфом инфляционной модели и окончательно перечеркнёт циклическую теорию.
Вряд ли чувствительности LIGO хватит на то, чтобы обнаружить гравитационные волны, предсказанные инфляционной моделью, но, возможно, их существование будет косвенно подтверждено данными «Planck» или данными другого эксперимента, названного CMBPol (Cosmic Microwave Background Polarization — космический эксперимент для изучения поляризации реликтового излучения), — этот эксперимент сейчас планируется. «Planck» и, в особенности, CMBPol не будут сосредоточены исключительно на температурных вариациях реликтового излучения; они также будут измерять поляризацию — среднее направление спинов обнаруживаемых фотонов реликтового излучения. Путём сложных рассуждений, которые мы здесь пропускаем, можно показать, что гравитационные волны, порождённые Большим взрывом, должны оставить особый отпечаток на поляризации реликтового излучения, и, возможно, этот отпечаток достаточно силён, чтобы его можно было измерить.
Так что в предстоящее десятилетие у нас появится возможность определить, был ли Большой взрыв на самом деле соударением и является ли наша Вселенная на самом деле 3-браной. В золотую эру космологии некоторые из этих самых сумасшедших идей могут быть действительно проверены.
Тёмная материя, тёмная энергия и будущее Вселенной
В главе 10 мы познакомились с вескими теоретическими и наблюдательными свидетельствами того, что только 5% массы Вселенной составляет известная нам материя — протоны и нейтроны (на долю электронов приходится менее 0,05% общей массы обычной материи), тогда как 25% массы даёт тёмная материя, а 70% — тёмная энергия. Но всё ещё остаётся значительная неопределённость в том, из чего же состоит тёмная материя. Естественно предположить, что тёмная материя тоже состоит из протонов и нейтронов, которые каким-то образом избежали совместного сцепления с последующим образованием звёзд, излучающих свет. Но другой теоретический взгляд оставляет этой гипотезе очень мало шансов.
Благодаря детальным наблюдениям астрономы точно знают об относительной средней распространённости лёгких элементов (водорода, гелия, дейтерия и лития), рассеянных по всему космосу. С высокой степенью точности эта распространённость согласуется с теоретическими расчётами процессов, в ходе которых ядра этих элементов были предположительно синтезированы в первые минуты Вселенной. Эта согласованность является одним из величайших успехов современной теоретической космологии. Однако в этих расчётах предполагается, что основная часть тёмной материи состоит не из протонов и нейтронов; если главными составляющими на космологических масштабах были бы протоны и нейтроны, то результаты расчётов не согласовывались бы с наблюдаемыми данными.
Но если не протоны и нейтроны, тогда что же составляет тёмную материю? Сегодня никто этого не знает, но в предположениях нет недостатка. Имена кандидатов пробегают весь ряд от аксионов до зино, и тот, кто найдёт ответ, несомненно, будет приглашён в Стокгольм. То обстоятельство, что ещё никто не обнаружил частицы тёмной материи, накладывает существенное ограничение на любое предположение. Дело в том, что тёмная материя находится не только в глубоком космосе; она распределена по всей Вселенной и поэтому присутствует и здесь, на Земле. Согласно многочисленным предположениям прямо сейчас миллиарды частиц тёмной материи ежесекундно пронизывают ваше тело, так как в ряду перспективных кандидатов остаются только те частицы, которые могут проходить через материю, не оставляя заметного следа.
Одним из оставшихся кандидатов является нейтрино. По оценкам, плотность реликтовой распространённости нейтрино с момента Большого взрыва составляет 55 млн/м3, так что если масса одного из трёх видов нейтрино дотягивает до сотой от миллионной доли (10−8) массы протона, то нейтрино могут обеспечить надлежащую массу тёмной материи. Хотя в недавних экспериментах были получены веские свидетельства того, что нейтрино действительно имеют массу, но согласно современным данным нейтрино слишком легки, чтобы обеспечить должную массу тёмной материи — нейтрино примерно в сто раз легче, чем нужно.
{283}
Это верно для простейших инфляционных моделей. Исследователи обнаружили, что в более сложных реализациях инфляции рождение гравитационных волн может подавляться.