Б. І. Лучков, МІФІ, м. Москва
Ось будинок, який побудував Джек.
Англ. народна пісенька. Пер. С. Маршака
Як точно написати свою адресу?
Спочатку просто: квартира, будинок, вулиця, місто, країна. Потім, трохи подумавши: планета Земля, зірка Сонце, галактика Чумацький Шлях. Далі (в міру укрупнення масштабу і фантазії): Місцеве скупчення галактик, надскупчення у сузір'ї Діва, Всесвіт (вона ж Метагалактика). Все. Тільки одне зауваження: написавши слово «Всесвіт» з великої літери, ми допустили існування багатьох інших всесвітів, що становлять щось ще більш велике, чого поки немає назви. Однак ми ніколи не зможемо увійти в контакт з ними через кінцевої швидкості поширення сигналів і обмеженого віку нашого Всесвіту. Включати їх на адресу абсолютно марно.
Можна сподіватися, що лист з такою адресою дійде за призначенням, пройшовши всі зазначені пункти.
Видима Всесвіт
Кожен, звичайно, добре знає свій будинок, вулицю, місто, країну. Напевно, Земля і Сонце теж досить знайомі. А ось уявлення про Галактику (Чумацькому Шляху), можливо, потребують уточнення. Згадана вперше англійським астрономом В. Гершелем, що створював у XVIII ст. найбільші в світі телескопи, Галактика являє собою сукупність зірок, планетних систем, газу і пилу, утримує разом гравітаційними силами. Чумацький Шлях - велика галактика (1012 зірок) з чотирма спіральними рукавами, що виходять із центральної області, де знаходиться ядро Галактики, об'єкт не зовсім зрозумілою природи, можливо, дуже масивна чорна діра. Більшість зірок зосереджено в тонкому диску (відношення радіус / товщина = 100: 1), помітно потовщеному в центрі, - молода частина галактичного населення, що бере участь у загальному обертанні періодом 250 млн років. Стара популяція - маломасивні зірки, кульові зоряні скупчення - заповнює більш велику область - гало Галактики, за формою нагадує сплюснутий еліпсоїд з помітною концентрацією об'єктів до центру. На рис. 1 Галактика показана так, як вона може бути видно з великої відстані в телескоп іншої розумної цивілізації.
Наше місце в Галактиці аж ніяк не центральне (що треба визнати великою удачею). Сонячна система знаходиться приблизно на половині відстані від центру до краю диска (точний радіус дорівнює 8 кпк) і майже в середині диска по висоті. Удача, головним чином, в тому, що тут щільність зірочок мала, їх зіткнення рідкісні, а поля випромінювання (від радіохвиль до жорсткого рентгена) не дуже небезпечні. Життя і виникає там, де їй менше загроз: навряд чи пристосована для проживання центральна частина Галактики, де багато яскравих змінних зірок і таких монстрів, як нейтронні зірки і чорні діри. Сонце - невелика, спокійна, досить щедра на світло і тепло зірка, дуже зручна для життя поруч з нею, в чому нам теж сильно пощастило.
Галактики часто під дією гравітаційних сил утворюють різні за формою скупчення (кластери галактик). Чумацький Шлях разом з двадцятьма галактиками, найближчі з яких - його сателіти (Велике і Мале Магелланові Хмари та ряд інших карликових галактик), утворюють Місцевий кластер. Він, у свою чергу, входить до складу великого Надскупчення, центром якого є активна галактика Діва-А і яке налічує більше тисячі галактик, розташованих в радіусі 30 Мпк. Місцевий кластер знаходиться десь на краю Надскупчення.
Більш великих одиниць, ніж сверхскопленія, не виявлено. Мабуть, на цьому ієрархія структур закінчується, так що Всесвіт, на перший погляд, складається з скупчень і сверхскоплений галактик і порожнього простору між ними. Щось на зразок великого водоймища, в якому зважені і неспішно рухаються «грудки» речовини, різні за формою і розмірами. Цей космічний водойму, додамо, не так вже сильно багатий речовиною - відстані між «грудками» багато більше їх власних розмірів.
Така картина, що постала в середині XX ст., Здавалася природною і цілком узгоджується з поданням про наш Всесвіт, що з'явилася приблизно 15 млрд років тому. Вона однорідна і изотропна, рівномірно розширюється: відстані між скупченнями ростуть, в її великому масштабі діє тільки одна сила тяжіння, що змушує речовина скучиваться в «грудки» - галактики і їх скупчення. Однак точні спостереження показали, що скупчення галактик розподілені в просторі далеко не рівномірно.
Комірчаста структура Всесвіту
Рис. 1. Вид галактики Чумацький Шлях збоку: видно дискова (молода) і квазісферіческая (стара) популяції зірочок
Прогрес спостережних засобів астрономії відбувається безперервно. Зростають розміри телескопів (вже досягли 15 м в діаметрі дзеркала). Удосконалюються приймачі світла - тепер це не фотопластинки, а ПЗЗ-матриці, що володіють великими чутливістю і точністю зображення. Поліпшується роздільна здатність спектрометрів - головних постачальників відомостей про досліджуваних об'єктах. Численні досягнення техніки проведення спостережень. Комп'ютерна революція зробила переворот у засобах збору, обробки та зберігання інформації. До цього треба додати, що центр інтересу виразно змістився в область позагалактичної астрономії, до вивчення все більш далеких світів.
Аналіз величезного масиву даних привів до уявлення про те, що Всесвіт заповнена не рівномірної «сумішшю» скупчень галактик, а їх «піною», щільність якої в окремих місцях дуже велика, а в інших - практично нульова. Іншими словами, Всесвіт складається з окремих осередків розміром 50-150 Мпк, в місцях перетину стінок яких (ребрах) галактики розселені дуже щільно, а в центральних областях майже відсутні (ці осередки називають увійдемо - від англійського void - позбавлений, порожній). Ніякими статистичними флуктуаціями чарункова структура не може бути пояснена. Вона - реальний факт, який відображає умови виникнення первинних неоднорідностей речовини на ранній стадії Метагалактики. Таким чином, спостереження відкидають старі моделі і стимулюють пошуки нових, в рамках яких чарункова структура Всесвіту була б так само природна, як куляста форма небесних тіл у ньютонівської теорії гравітації.
Нестаціонарна космологія
Всі спроби від Ньютона до Ейнштейна створити теорію стаціонарного світу, як відомо, не дали результату. Світ вперто не хотів бути стійким і незмінним. Найважливіші свідчення цьому, отримані зі спостережень, - розбігання галактик (визначається за червоного зсуву ліній у їхніх спектрах) і теплове реліктове випромінювання температурою Т = 2,7 К, реєстроване як ізотропний радиофон. Взаємне розбігання галактик - прямий результат утворення Всесвіту у Великому Вибуху (Big Bang), в якому вона виникла 15 млрд років тому, як вважають, зі стану з нескінченною щільністю. Реліктове випромінювання - це остигле в результаті розширення теплове поле Вибуху, температура якого в початковий момент була також нескінченною. Нестаціонарна космологія, піонерами якої були російські фізики Олександр Фрідман та Георгій Гамов, грунтується на постулаті про однорідний і ізотропному розподілі речовини. У самому простому поданні Всесвіт, виникнувши з точкової сингулярності, в усі епохи являла собою розширюється куля речовини, склад якого змінювався відповідно до зменшується температурою випромінювання, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з речовиною.
А. Фрідман першим знайшов три можливі варіанти нестаціонарної космології. У першому (модель відкритої Всесвіту) розширення продовжується необмежено довго, що викликано перевищенням енергії розльоту речовини над енергією його взаємного тяжіння. Другий (модель плоскої Всесвіту) представляє той рідкісний випадок, коли зазначені види енергій в точності збігаються. Тоді розліт речовини буде також продовжуватися, з тим лише відмінністю, що його швидкість, зменшуючись, прагне до нуля. Третій (модель замкнутої Всесвіту) дає кардинально нове рішення: розширення зупиниться на деякому граничному радіусі, після чого енергія сил тяжіння, що перевищує енергію кінетичного розльоту, змусить речовина стискатися (галактики почнуть зближуватися, буде спостерігатися синє зміщення ліній) аж до повернення у вихідну сингулярність.
Г. Гамов доповнив фрідмановскіе моделі урахуванням первинного нагріву речовини, яке у всіх варіантах має певної температурної залежністю. Його модель назвали моделлю Гарячої Всесвіту, що отримала вагоме підтвердження відкриттям теплового реліктового фону. Випромінювання домінувало на початкових етапах життя Всесвіту, визначаючи її склад. Висока температура перших трьох хвилин Великого Вибуху сприяла протіканню термоядерних реакцій синтезу, в ході яких з первинної суміші протонів і нейтронів утворилися ядра дейтерію (важкого водню), гелію і, в малій кількості, літію. До більш важки
Виникнення структури
Коли випромінювання домінує, речовина являє собою плазму, яка складалась з протон-антипротонних пар в перші мікросекунди, електрон-позитронного пар через секунду і з електронів і протонів (з домішкою дейтронів і ядер гелію) протягом мільйона років. Випромінювання, активно взаємодіє з зарядженими частинками, веде себе як в'язка середовище, в якому гасяться всі рухи частинок, в тому числі викликані взаємним тяжінням. Структурних утворень у плазмі не виникає.
Але ось пройшов мільйон років і випромінювання охололо до 4000 К, що нижче потенціалу іонізації водню. Ніщо не заважає тепер протонам і електронам об'єднуватися, утворюючи нейтральний газ (рекомбінація), до якого остигле випромінювання «втрачає будь-який інтерес», проходячи крізь нього без помітного взаємодії. Ось тут-то гравітація і нагадує про себе, змушуючи газ стискатися. Гравітаційна нестійкість речовини - наслідок дії однієї тільки сили тяжіння - призводить до формування всіх видимих структур: від астероїдів до сверхскоплений галактик.
З чого починався цей процес у початково однорідному газі? Які структури виникли першими? Як вони розвивалися і в що перейшли за мільярди років? Прямих відповідей на ці питання теорія поки не дає. У відповідності з рядом запропонованих моделей зростання первинних структур був обумовлений гравітаційної нестійкістю, при цьому «центрами конденсації» речовини служили випадкові ущільнення (флуктуації) середовища. Раз виникнувши, вони продовжували рости за рахунок нових порцій притягиваемого речовини, стаючи великими газовими хмарами. При цьому були можливі флуктуації двох типів: ізотермічні і адіабатичні. Перші, що зачіпають тільки газ, повинні були породжувати хмари помірних розмірів, які можна порівняти з спостерігаються зараз кульовими зоряними скупченнями. Щоб утворити структури типу галактик, таким хмарам треба укрупнюватися, з'єднуючись при зіткненнях. Як це відбувалося, не дуже зрозуміло.
Другий тип флуктуацій міг відбуватися одночасно в газі і випромінюванні і повинен був призводити до появи хмар гігантських розмірів і маси. Стикаючись, вони стискали газ в тонких шарах контакту, образно званих млинцями, де й виникали умови для освіти майбутніх структур. Модель млинців розвивала група академіка Я. Б. Зельдовича в 70-х рр.. Відкриття комірчастої структури Всесвіту в багатьох рисах підтверджує цю модель: стінки осередків - це місця первинних млинців, ребра осередків - їх перетину, а увійшовши - межблінное простір, де не було необхідних умов росту структур. Звичайно, расмотренного моделі вельми умовні.
Швидше за все, природа використовувала флуктуації обох типів, створюючи різномасштабні структури. Але навіть якісне збіг теорії і спостережень вселяє впевненість у те, що чарункова структура Всесвіту - не тільки наглядова, а й цілком зрозумілий пізнавальний факт.
Проблема прихованої маси
Цю і без того непросту картину Всесвіту ще більше ускладнили дві «гарячі» проблеми. Перша, яка називається проблемою прихованої маси (або темної матерії), займає учених вже більше 30 років. Суть її полягає в тому, що не всі речовина у Всесвіті укладено в зірках, галактиках і їх скупчення, тобто в об'єктах світяться і тому легко можна побачити. Набагато бо1льшая маса (за різними оцінками, від 5 до 10 разів) виявляється невидимою. Речовина-неведимка не розгледіти в телескопи, воно не «засвічує» себе в різних довжинах хвиль, але досить надійно виявляється через гравітаційна взаємодія з навколишнім звичайною речовиною, впливаючи на його рух. Спостереження показали, що прихована маса існує практично у всіх подструктурах - галактиках, скупченнях і сверхскопленія.
Хто ховається за маскою темної матерії, до цих пір не відомо. Вона може бути як звичайною речовиною, але які у об'єктах дуже слабкою світності (маломасивні зірки в коронах галактик, нейтронні зірки, холодні газові хмари), так і абсолютно новим видом матерії, яка не бере участі ні в яких взаємодіях, крім гравітаційної. Кандидатів сучасна фізика підкидає досить багато: масивні нейтрино, нові частки й інші дивини, що вийшли з-під пера фізиків-теоретиків. Розкриття таємниці невидимок, - мабуть, одна з найбільш захоплюючих завдань сучасної фізики і астрофізики.
Однак, ким би не була прихована маса, абсолютно ясно, що її вплив на структуру і динаміку Всесвіту надзвичайно велике. Адже саме гравітація визначає обличчя світу, його сьогоднішня поведінка і майбутній устрій. Вплив темної матерії, в 10 разів сильніше, ніж усіх видимих галактик і скупчень, необхідно точно знати і враховувати в космологічних моделях.
Інфляційна ера
Друга проблема - короткий, але надзвичайно важливий етап життя Всесвіту, що отримав назву інфляційної ери. Він самий початковий і настільки швидкоплинний - всього 10-32 с (!), - Що, здавалося б, міг пройти непоміченим. Як би не так. У цей час тільки що виникла Всесвіт - крихітний пухирець розміром менше атома - стрімко роздувалася (inflation і є роздування), виростаючи до астрономічних розмірів.
Необхідність введення інфляційної ери виникла у космологів тоді, коли вони усвідомили неможливість пояснити деякі парадоксальні властивості реліктового випромінювання, наприклад, однакову температуру далеких один від одного і тому причинно не пов'язаних частин Всесвіту (відстань між якими більше шляху, прохідного світлом за час життя Всесвіту). Розгадка проста: на початку інфляційної ери вони-таки були причинно пов'язаними і могли обмінюватися сигналами, зрівнюючи свою температуру, а розійшлися так далеко в результаті стрімкого роздування.
Інфляційна ера - справжній Клондайк сучасної астрофізики. Саме в цей крихітний проміжок часу виникла вся маса Всесвіту - як піна на нескінченно глибокій потенційній енергії вакууму, виділилася величезна енергія, що нагрілася речовина до високої температури (зробила Всесвіт гарячої), і відбулися розпади важких частинок, які створили надлишок речовини над антиречовиною (протонів, нейтронів і електронів над антипротонами, Антинейтрон і позитронами), в результаті чого наш Всесвіт і складається тільки з речовини (після того як анігілювали - взаємно знищені - рівні кількості частинок і античастинок). Зрозумілий той величезний інтерес, який виявляють до цієї «золотій жилі» фізики-теоретики. Треба відзначити також, що інфляційна ера - найближча до моменту Великого Вибуху. Хто знає, які ще відкриття і потрясіння чекають допитливих космоархеологов в цій «долині царів».
Вибір Всесвіту
Варіантів космологічних моделей багато, а Всесвіт одна. Значить, треба відібрати той єдиний варіант, який був реалізований, і нарешті зрозуміти, в якому Будинку ми живемо. Майже все ХХ ст. пройшов під прапором цієї великого завдання - у пошуках тестів вибору правильної моделі та їх перевірок у спостереженнях. Але до цих пір результат залишається невизначеним: Всесвіт може бути будь-яким із зазначених Фрідманом типів - відкритої, плоскою і замкнутою. Ми все ще не знаємо в точності пристрої, головних параметрів і майбутньої поведінки нашого світу. Чи буде Всесвіт нескінченно розширюватися, чи коли-небудь розширення зміниться стисненням і вона піде в початкову сингулярність? Хіба можна спокійно жити, не знаючи відповіді?
Насправді все не так трагічно. Найбільш навчені космологи вже інтуїтивно отримали відповідь і вважають, що, швидше за все, ми живемо в плоскому Всесвіту, де середня щільність речовини (видимого і прихованого) дорівнює критичною, геометрія простору евклідового і світ в цілому не має кривизни. До цього їх схиляють не тільки результати аналізу космологічних тестів, але і міркування «естетичної краси», які так цінував Ейнштейн і які допомогли йому вибрати саме той варіант теорії тяжіння (загальну теорію відносності), який до цих пір вважається кращим, узгоджуючи з усіма результатами спостережень.
Але в науці найголовніший критерій істини все ж не інтуїція (навіть найбільш видатних людей, які теж іноді помиляються), а результати досвіду і точного аналізу. Тому з колишнім завзяттям спостерігачі, які отримують у своє розпорядження все більш витончені прилади і методи аналізу, продовжують пошуки єдиного варіанта нашого вселенського Дому. На цьому шляху, крім уточнюються результати старих тестів, з'явилася останнім часом цілком нова можливість, пов'язана з докладними дослідженнями температури реліктового випромінювання.
Анізотропія реліктового випромінювання
Чи так вже Ізотропія реліктовий фон? З точністю до 0,01% він дійсно однаковий у всіх напрямах, чого достатньо, щоб відкинути всі спроби пояснити його близькими джерелами і прийняти як випромінювання всієї Метагалактики. А що буде, якщо ще підвищити точність вимірів?
20 років тому такий експеримент провела американська група на висотному літаку-лабораторії та виявила помітну анізотропію релікта: деякою області небесної сфери температура випромінювання була трохи вище - максимальна різниця становила 3,5 мК, а в протилежній - на таку ж величину менше. Був відкритий так званий дипольний компонент анізотропії, що отримав дуже просте і природне пояснення. Він обумовлений доплерівським зсувом частоти (а значить, і температури) випромінювання, прийнятого рухомим спостерігачем. Це той же ефект, за яким висота гудка поїзда, що наближається вище, а удаляющегося - нижче, ніж стоїть. Реліктові фотони налітають з усіх сторін; летять назустріч спостерігачеві виявляться більш енергійними, а наздоганяє «в хвіст» - менш енергійними, ніж приходять збоку. Цей експеримент показав, що Земля (разом з Сонячною системою, Галактикою та іншими адресними підструктурами) рухається зі швидкістю 370 км / с відносно далекого речовини, важко зітхнувши реліктове випромінювання. Сам по собі цей результат дуже цікавий. Знайдена інерціальна система, яку шукали на початку століття, вирішуючи проблему світового ефіру. Тоді досвід Майкельсона показав, що такої системи немає і ефіру з приписуваними йому властивостями пружною середовища не існує. Ефір дійсно зараз фізиці не потрібен, але обрана система відліку (у деякому сенсі абсолютна) все ж таки, виявляється, існує.
За вирахуванням дипольного компонента реліктове випромінювання на небесній сфері представляє рівномірну «брижі», викликану статистичними та приладовими похибками. Кінцевих значень більш дрібної анізотропії довго не знаходили, поки не були проведені на супутниках унікальні експерименти релікти (СРСР, 1984) і COBE (США, 1992). Перший показав, що більш високі анізотропні компоненти відсутні до рівня DТ / Т = 10-5, і цей факт свідчив про велику кількість холодної темної матерії (що рухається зі швидкостями багато менше швидкості світла). Другий відкрив цілий спектр анізотропних компонентів, які, як висип, покривають все небо і мають досить великі розміри (1 - 90о). Це сліди тих первинних флуктуацій густини речовини, які з'явилися в момент рекомбінації плазми і з яких розвинулися всі спостережувані структури Всесвіту. Великий розмір неоднорідностей - аргумент на користь інфляційної ери, оскільки зароджувалися вони (у темній матерії) саме в той далекий час і встигли сильно вирости.
Анізотропія реліктового фону на рівні 20-40 МКК - встановлений факт. Її компоненти, які зберегли відбитки минулих епох, можуть послужити вірну службу, ставши космологічним Розетського каменем у відтворенні історії «давно минулих днів».
Вимірювання реліктового випромінювання детекторами на висотних аеростатах підтвердили висновки супутникових експериментів і змогли продовжити спектр анізотропних компонентів до високих моментів. Результати всіх дослідів наведено на рис. 2.
Рис. 2. Спектр неоднорідностей (анізотропії) реліктового випромінювання: по осі абсцис - мультипольних момент, по осі ординат - температурні флуктуації, а точки з похибками - експериментальні дані, криві - результати розрахунку за інфляційної моделі (а) і моделі топологічних дефектів (б)
Точками показані експериментальні дані, кривими - очікувані спектри у різних моделях первинних флуктуацій щільності. Хоча помилки вимірювань ще дуже великі, експерименти краще узгоджуються з передбаченням інфляційної моделі (крива а) і майже напевно відкидають модель топологічних дефектів (крива б). У розрахунок закладені всі космологічні параметри Всесвіту і, якщо вимірювання будуть більш точними, особливості розрахункового спектру (зростаюча частина, положення і амплітуди трьох піків, крутий спад) можуть бути точно «прив'язані», в результаті чого параметри стануть відомі з точністю, недоступної для інших космологічних тестів (поки невизначеність становить 50%). Зараз готуються два нових прецезіонних супутникових експерименту: MAP (США, запуск у 2001 р.) і Planck (Європейське космічне агентство, 2007 р.), результати яких дозволять визначити параметри Всесвіту з точністю до 5% (рис. 3), - і проблема вибору моделі буде знята з порядку денного. Важко переоцінити загальнонаукову важливість проведених досліджень - вона порівнянна з найгучнішими відкриттями минулих століть, заклали основи знання про навколишній світ.
Рис. 3. Той же спектр анізотропії реліктового випромінювання, як він буде виміряно у експериментах МАР і Planck для моделі плоскої Всесвіту з певним набором космологічних параметрів
А що далі?
І все ж на цьому справа не зупиниться - наука завжди в дорозі. Вже видно нові проблеми і завдання, які ставить невгамовна природа. Однією з них, що стосується структури Всесвіту, є проблема «130 Мпк шкали». Суть її полягає в тому, що скупчення галактик і воіди розташовані не хаотично, а строго визначено: спостерігається періодичність їх чергування з кроком 130 Мпк. Ні з сучасної теорії, ні з моделі млинців така періодичність зовсім не слід. Що це - вказівка на невідомі ще деталі будови нашого Вдома чи наслідок надмірної підозрілості дослідників - покажуть подальші, більш точні спостереження.
До числа турбують (невирішених чи незрозумілих) проблем відноситься і так званий антропний принцип, обговорюваний з перемінним успіхом протягом останніх десятиліть. Він є формальною відповіддю на питання, чому світові фізичні константи так точно «підігнані» (до декількох відсотків) до того еволюційному шляху, яким пройшла Всесвіт: Великий Вибух - розширення Метагалактики - утворення зірок, галактик і скупчень - синтез елементів, включаючи С, N , О, з яких будуються органічні речовини - зародження життя - поява людини, спостерігача природи. Згідно антропному принципом, Всесвіт влаштована таким чином, що в ній обов'язково має з'явитися спостерігач. Інші всесвіти, з іншим набором констант, ненаблюдаемость, тому що в них еволюційна ланцюг обірвалася на проміжній ланці: синтез елементів не пішов далі гелію, не встигли утворитися зірки і т.д. Що насправді криється за антропним принципом та ідеєю безлічі всесвітів, поки неясно. Але, як відомо, нерозкритих таємниць у науці не буває - буде надано точну відповідь і на цей важкий питання.
Можливо, нам все-таки доведеться доповнити свою адресу зазначенням скупчення всесвітів або інших структурних одиниць.
Просто Будинок продовжує будуватися в нашій свідомості, уточнюючи і вдосконалюючись.