Структура Вселенной: от сверхскоплений до темной материи. Часть 1⁠⁠

Что мы знаем о структуре Вселенной, чем темная материя отличается от темной энергии и какое будущее ждет Млечный Путь

Мы живем в чудесное время: всего лишь за последние тридцать лет представления о космосе полностью перевернулись. Наши знания о Вселенной фундаментально изменились, и это связано с успехами научных групп и отдельных ученых, в том числе российских и советских, и технологиями, которые появились в последние десятилетия и позволили проводить высокоточные наблюдения.

Исторической точкой отсчета можно считать появление квантовой механики, теории относительности и рождение идеи о расширении Вселенной. В этот период человечество стало выходить за пределы обыденного сознания. Обычно мы живем и не замечаем, что мир устроен довольно просто; в нашем макромире работает очень понятная и очевидная логика. Люди научились предсказывать погодные явления и даже иногда природные катаклизмы, с легкостью вычислять положения планет. Мы смогли объяснить все, кроме нескольких облачков на небе классической физики, говоря словами физика Джозефа Джона Томсона. Но именно с них и началась революция. Наблюдения показывали, например, что Меркурий обращается вокруг Солнца как-то неправильно, а именно: его орбита противоречиво прецессирует. Также предпринимались и противоречивые попытки построения теории эфира. Все это удалось разрешить в рамках релятивистской теории (СТО и ОТО) Эйнштейна. С другой стороны, Планк исследовал проблему излучения абсолютно черного тела и, решая ее, сам того не желая, фактически создал квантовую механику. Кроме того, в конце 1920-х годов Хаббл открыл рост скорости разбегания галактик с увеличением их удаления от нас. С этого все и началось.

Теории эфира
идея, согласно которой существует некое вещество или поле, заполняющее пространство и являющееся средой для передачи и распространения электромагнитных и гравитационных взаимодействий.

Как мы узнали о структуре Вселенной

С изучением таких странностей стало понятно, что наши представления о мире были слишком обывательскими и на самом деле все гораздо сложнее. Сейчас исследование космоса настолько интересно и захватывающе, что это можно сравнить с эффектом от наркотического вещества, даже когда мы только предполагаем, что понимаем, как все устроено. На самом деле, конечно, никто не понимает всего, но многие предполагают, что знают, как все устроено. Но все равно хочется знать больше.

Фундаментальная революция в естествознании была бы невозможна без наблюдательных исследований. Так, в 1990-е годы наблюдательные эксперименты противоречили друг другу: в одном направлении Вселенная расширяется с замедлением, причем с разными скоростями, в другом, наоборот, с ускорением. Открытие темной энергии позволило объяснить эти наблюдения.

Карта микроволнового излучения, построенная WMAP

В XXI веке два спутника, WMAP и Planck, смогли измерить реликтовое излучение и уровень его неоднородностей. По ним удалось восстановить параметры, которые описывают нашу Вселенную. Благодаря этому мы теперь знаем ее историю с самого начала, кроме первых триллионных долей секунд сразу после Большого взрыва. Поэтому все, о чем обычно рассказывают космологи, — это наблюдательные данные. Космология стала очень точной наукой — точнее, чем физика звезд. Это удивительно. В прошлом веке считалось, что о звездах уже все известно и открывать там практически уже нечего, а сегодня, например, астрофизики активно исследуют роль магнитного поля в формировании звезд. Мы даже не знаем до конца, что происходит внутри Земли, откуда берется это тепло: она должна была остыть давным-давно, но ее тепло до сих пор удерживается. А в космологии можно говорить о точности до долей процентов, и именно это удивительно. Тридцать лет назад нельзя было и предположить, что получится измерить небо с такой точностью. В микроволновом фоне (миллиметровый диапазон длин волн) построена карта с высоким разрешением, и не одна. Все эти карты согласуются друг с другом, и по ним удалось восстановить, как развивалась Вселенная и как она будет эволюционировать в ближайшем будущем.

Самый первый момент существования Вселенной, первые десять в минус тридцать пятой степени секунды, когда из ничего появилось все, сегодня описывает теория инфляции. Ведутся наблюдения, результаты которых должны эту теорию либо опровергнуть, либо подтвердить. Большой вклад в эту идею внесли Алексей Старобинский, Андрей Линде, Алан Гут, Пол Стейнхардт и другие. Много групп сейчас работает и над альтернативными физическими моделями раннего развития Вселенной, например группа Валерия Рубакова.

Многие результаты, подтвержденные наблюдениями, сначала были предсказаны теоретически. Казалось бы, как Эйнштейн мог придумать теорию относительности? Она же совершенно неочевидна. Но ему не нравилось, что при переходе из одной системы координат в другую описание законов природы приходилось менять, и он фактически сделал это описание более красивым. При этом оказалось, что с помощью теории относительности можно объяснить почти все, за исключением новых облачков, связанных, например, с темной энергией, про которую тогда еще не знали. Потом у ОТО стало появляться все больше подтверждений. Точно так же существование реликтового излучения было сначала предсказано группой Георгия Гамова за двадцать лет до того, как его подтвердили экспериментально в наблюдениях лаборатории Bell Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Можно отметить, что предсказания возможности и деталей наблюдения реликтового излучения делали Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков за год до его открытия. В целом члены группы Якова Борисовича Зельдовича внесли практически доминирующий вклад в понимание формирования крупномасштабной структуры Вселенной, фактически создав современную релятивистскую астрофизику.

Инфляция
особая стадия ранней эволюции Вселенной, в ходе которой она чрезвычайно быстро
(за время ~ 10 –34 с) и сильно (в ~ 1043 раз) расширилась. По окончании инфляции Вселенная разогрелась до очень высокой температуры, после чего наступила эпоха горячего Большого взрыва.

Георгий Антонович Гамов (1904–1968), советский и американский физик-теоретик, астрофизик. Один из основоположников теории «горячей Вселенной», одним из первых начал применять ядерную физику к вопросу эволюции звезд, автор первой количественной теории альфа-распада. В 1933 году покинул СССР и позднее получил гражданство США.

Реликтовое излучение — главный источник информации о происхождении и свойствах структуры Вселенной. Хотя, конечно, только его одного не хватило бы для понимания устройства мира. Например, о том, что Вселенная расширяется с ускорением, мы знаем благодаря вспышкам сверхновых — «стандартных свечей». Нам известно, что, если Вселенная расширяется, свет претерпевает красное смещение. По красному смещению в зависимости от модели можно измерять расстояние — нужно только понять, какую модель выбрать. И если мы видим, что есть стандартная свеча, есть красное смещение, и это начинает работать на определенную модель. Эта модель — Lambda-CDM: Lambda — это темная энергия, а CDM — cold dark matter, холодная темная материя.

Есть и другие источники космологической информации: абсорбционные линии квазаров, измерения параметров радиоисточников с учетом их эволюции, стандартные линейки и тесты вроде парадокса Ольберса. Но когда мы знаем, что именно происходит, измерять параметры этого явления лучше всего именно с помощью реликтового излучения. И конечно, нужно сказать, что есть и прямые наблюдения распределения галактик в пространстве, а именно — крупномасштабной структуры, причем на классических телескопах в оптическом диапазоне, которые и показывают, что материя распределена во Вселенной в виде космической паутины на больших масштабах. И обычно получается, что все остальные эксперименты либо подтверждают информацию, которую мы получили с помощью реликтового излучения, либо минимально с ней не согласуются. Реликтовое излучение — главный источник информации, но если бы у нас было только оно одно, то не было бы подсказок, что именно исследовать. А так исследователи получают подсказки со стороны, проверяют их с помощью реликтового излучения и получают максимально точную информацию.

Сверхновая типа la, появляющаяся в результате взрыва белого карлика. Эта категория сверхновых обладает одинаковой максимальной светимостью и по этой причине используется в качестве стандартных измерителей — «стандартных свечей».

Чем темная материя отличается от темной энергии

По данным измерений космической миссии Planck темная материя составляет 26% всей энергии во Вселенной, 69% — темная энергия, и только оставшиеся несколько процентов приходятся на звезды, межзвездный и межгалактический газ и другие видимые космические объекты. Но между темной энергией и темной материей, хотя их ставят в один ряд, когда говорят о доле вещества во Вселенной, гигантская разница. Сбивает с толку слово «темный»: в этих двух случаях оно имеет разное значение.

Есть три основные компоненты (на самом деле их больше: есть и энергия, связанная с фотонами, есть еще связанная с нейтрино или другими частицами), с помощью которых измеряют всю энергию во Вселенной. Самая заметная из них — видимое вещество, которое еще называют барионным. Оно излучает и поглощает свет — электромагнитные волны, и поэтому оно видимое, в том числе и человеческому глазу. Параметры этого вещества можно измерить благодаря светимости звезд и галактик. Если мы знаем светимость галактики, то можем посчитать, сколько в ней звезд, а зная среднюю массу звезды — измерить массу галактики по ее свечению.

Еще один тип вещества, который участвует в гравитационном взаимодействии, — темная материя. Представим, что у нас есть разные состояния вещества: газ, жидкость, твердое, есть плазма и кварк-глюонная плазма, есть состояние, в котором вещество оказывается внутри черной дыры — мы ничего о нем не знаем. Есть вещество сверхтекучее, есть сверхпроводящее. А есть, условно говоря, состояние «темная материя»: в этом состоянии вещество взаимодействует гравитационно, но не взаимодействует электромагнитно. Таким образом, темное вещество — особая форма материи, отличная от простого фазового состояния видимого вещества. И даже не исключено, что ее частицы могут аннигилировать, взаимодействуя сами с собой и порождая высокоэнергичные фотоны, которые, в свою очередь, могли бы превращаться в пары электрон-позитрон. Или, например, если один из ее компонентов — это гипотетическая легкая частица аксион. Она бы могла превращаться в магнитном поле в фотон и обратно. Поиски таких частиц сейчас ведутся. Кроме того, возможно, что в общее понятие темной материи может попасть и небольшая часть ненаблюдаемого барионного вещества.

Темная материя распределена по Вселенной неравномерно: в среднем ее в пять-шесть раз больше, чем барионного вещества, но в некоторых участках ее в шестнадцать раз больше, а в других — только в два. В нашей Галактике темной материи, по последним оценкам, в два раза больше, чем видимого вещества. Но в любом случае ее больше, и видимое вещество — это лишь отражение распределения темной материи. Видимое вещество тянется за ней, то есть темная материя притягивает его. Вся крупномасштабная структура Вселенной состоит из темной материи, а видимая в нее как бы стекается. И темная материя темная потому, что она не излучает и не поглощает свет.

А что же такое темная энергия? Это нечто для нас непонятное, и слово «темная» здесь употребляется в значении «загадочное, неизвестное». Сам термин появился в 1990-е годы, когда были популярны «Звездные войны», где фигурировала Темная сторона. Есть ощущение, что термин «темная энергия» появился под влиянием этой популярности. Это не факт, но скорее наблюдение, предположение. Несмотря на загадочность этой энергии, мы знаем, что она существует, потому что Вселенная расширяется с ускорением, то есть на нее действует какая-то сила. Хотя темная энергия может быть и не силой, а свойством нашего вакуума. А может быть, это действие какой-то другой вселенной и уже относится к исследованиям мультивселенной. Если рассматривать эту гипотезу — воздействие соседней вселенной на наш наблюдаемый объект, — тогда это свойство n-мерной гравитации: мы живем в трехмерном мире, а на самом деле у мультивселенной измерений может быть больше, и мир большей размерности таким образом гравитационно взаимодействует с нашим. Но это только теории.

Но астрофизики любят то, что можно измерить точно, поэтому в основном стараются определять параметры, которые отсекают варианты, чем темная энергия точно может и не может быть. Но сейчас граница открыта, точного отсечения нет. Не исключено, что это на самом деле некое поле, которое действует на нашу Вселенную и в конце концов может привести к разрушению всего, что есть вокруг нас. Воздействие этого поля может быть таково, что Вселенная ускоряется-ускоряется-ускоряется, сила становится сильнее, чем все связи между материальными объектами, и начинают разрушаться крупные, гравитационно связанные структуры, а в конце концов нейтроны и протоны разорвутся на кварки, и что будет дальше — непонятно, потому что мы не знаем, из чего состоят кварки, если они вообще из чего-то состоят. Но может быть, это тоже будет разрушено и в каждой точке начнется своя вселенная. По оптимистичным прогнозам, это может произойти совсем скоро, примерно через 30–50 миллиардов лет. Это совсем мало. Если бы такой сценарий не реализовался, то гигантские сверхмассивные черные дыры, которые образуются в центрах галактик, могли бы существовать 10^120 лет, и только после этого, когда на них перестанет падать вещество, они бы начали испаряться благодаря излучению Хокинга. А темная энергия все растягивает, разрывает — и дает новую жизнь.

Источник