Перейти на графическую версию статьи
Исходный код Вселенной_Виктория Бутакова

Представления об истории Вселенной описывает одна из самых сложных областей астрономии – космология. Основателем современной космологии считается Альберт Эйнштейн, который в 1917 году приложил свою Общую теорию относительности ко всей Вселенной. Это было исследование под названием «Космологические соображения к общей теории относительности», где ученый утверждал, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна.

 

Когда Александр Фридман изменил последний пункт этого утверждения и доказал расширение Вселенной, возникла теория Большого взрыва. Она описывает начало этого расширения, до которого Метагалактика находилась в состоянии космологической сингулярности, когда плотность материи и кривизна пространства-времени были чрезвычайно велики. Отголосок Большого взрыва, который мы можем наблюдать и сейчас, – реликтовое, или космическое микроволновое фоновое излучение, одно из главных доказательств теории. О нынешнем состоянии науки об эволюции Вселенной нам рассказал Алексей Головнев, специалист в области космологии, доцент кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ.


▲Алексей Головнев, www.hep.spbu.ru. 

 

Алексей Валерьевич, космология изучает основные этапы развития Вселенной, то есть собирает в одну простую схему всю ее эволюцию. Как выглядит эта схема?

– Мы знаем, что Вселенная наполнена веществом и расширяется. Как известно, при расширении вещество охлаждается. Это значит, что когда-то Вселенная была очень плотной и горячей. Настолько горячей, что многие проблемы космологии неразрывно связаны с физикой элементарных частиц, в том числе при энергиях, недостижимых с помощью современных ускорителей (условно этот момент можно назвать Большим взрывом). С течением времени температура падала, и вещество в разные эпохи находилось в разных состояниях. Это кварк-глюонная плазма при энергиях, недавно достигнутых на ускорителях, а потом мир обычных элементарных частиц. При энергиях, немного меньших энергии покоя электрона, произошел первичный нуклеосинтез – образование из протонов и нейтронов первичного состава атомных ядер, в основном водорода и гелия. А когда температура упала до нескольких тысяч градусов, произошла рекомбинация – образование нейтральных атомов из первичной плазмы. С этого момента Вселенная стала прозрачной для излучения, и именно с тех времен (несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва) приходят к нам фотоны реликтового фона.

В среднем Вселенная была однородна и изотропна, но в ней присутствовали флуктуации плотности и температуры – сгущения и разрежения первичного вещества. Эти первичные флуктуации мы сейчас можем изучать в виде малых изменений температуры реликтового фона в зависимости от того, с какого направления на небе прилетают регистрируемые фотоны. А при дальнейшем расширении Вселенной именно эти сгущения и разрежения эволюционировали в крупномасштабную структуру, скопления галактик, галактики, звезды, планеты. Мы – дети этих первичных неоднородностей, относительное изменение плотности в которых было на уровне порядка нескольких тысячных долей процента.

Столь высокая однородность ранней Вселенной даже порождает проблему неестественности начальных условий – каким-то образом должна была выровняться температура и плотность во множестве областей пространства, которые не могли быть причинно связаны друг с другом. В качестве решения этой и некоторых других проблем выступает гипотеза об инфляции, в рамках которой Вселенная в первые мгновения своего существования прошла через период ускоренного расширения. Интересно, что в качестве «побочного эффекта» представление об инфляции позволило объяснить происхождение первичных неоднородностей квантовыми флуктуациями во время инфляции.


«Космическая паутина» от авторов проекта Dark Sky Simulations collaboration. www.symmetrymagazine.org


Все последние открытия позволили создать крупномасштабную структуру Вселенной, которая показывает положение всех ее объектов относительно друг друга. Вы могли бы ее описать?

– Под крупномасштабной структурой понимается распределение вещества, изучаемое на самых больших масштабах, доступных наблюдениям, – космологических. С наблюдательной точки зрения оно исследуется с помощью составления огромных галактических каталогов и статистической обработки данных. С позиции теоретика статистические особенности распределения вещества во Вселенной суть проявления тех же первичных флуктуаций, которые наблюдаются в реликтовом фоне.

На масштабах свыше нескольких сотен мегапарсек имеется в целом однородное и изотропное распределение вещества. В малых масштабах мы наблюдаем галактики и скопления галактик. А в промежуточном режиме можно видеть красивую картину космической паутины со структурами разных размерностей – сверхскопления, блины, нити, пустоты…

 

– Расскажите о современной стандартной космологической модели Лямбда-CDM, которая предполагает, что пространство Вселенной заполнено барионной материей, темной энергией и холодной темной материей, а возраст ее составляет 14 млрд лет?

– В целом современную космологическую картину мира я описал выше. Осталось только добавить, что в самом конце XX века было установлено, что современная Вселенная опять расширяется ускоренно. Это было неожиданно и требует наличия экзотического вещества с большим отрицательным давлением – темной энергии. Впрочем, простейшая рабочая гипотеза – это просто космологическая постоянная. Она стандартно обозначается буквой лямбда. Ну, а CDM – холодная темная материя (cold dark matter). Отсюда название стандартной космологической модели, в рамках которой примерно 70 % современной плотности энергии приходится на темную энергию, за 25 % отвечает темная материя, ну а оставшиеся 5 % – это обычное вещество, которое в астрономии любят называть барионным.


▲Стандартная космологическая модель Лямбда-CDM.  www.commons.wikimedia.org 


– Космология Шварцшильда – модель, согласно которой наблюдаемая Вселенная находится внутри черной дыры. Насколько эта теория принята научным сообществом?

– Это неактуальная тема. Да, действительно, можно провести определенные аналогии между горизонтом черной дыры и космологическим горизонтом. Но все не так просто. И, например, предположение о периоде инфляции в ранней Вселенной приводит к тому, что размер каузального горизонта в глобальном смысле может во много раз превосходить практически видимую часть Вселенной – оптический горизонт, а их соотношение меняется со временем. В этом, собственно, и состоит смысл инфляционной теории, которая таким образом решает проблему начальных условий. Кроме того, для наблюдателя, попавшего в черную дыру, существует неизбежная сингулярность в будущем, в то время как сингулярность Большого взрыва относится к прошлому. В этом смысле уместна аналогия с гораздо более экзотическим решением уравнений Эйнштейна – белой дырой.

 

Белые дыры – гипотетические объекты, которые существуют только в рамках математических моделей. Как теория объясняет их существование?

– Белую дыру можно представить себе как обращенную во времени черную – из нее можно выйти, но в нее нельзя попасть извне. В реальной Вселенной подобные объекты, по всей видимости, не возникают. Но с теоретической точки зрения белые дыры интересны тем, что геодезически полное пространство вечной черной дыры Шварцшильда содержит также и область, являющуюся белой дырой. Можно построить решения с тоннелем, соединяющим черную дыру с белой, которая открывается в совершенно другую область Вселенной. Таким образом, теоретически можно конструировать сколь угодно быстрые перемещения на большие расстояния и даже путешествия во времени. Правда, устойчивость тоннеля потребует либо весьма экзотического вещества, либо отклонений от общей теории относительности.

Повторюсь, что к реалистичной космологии белые дыры имеют отношение не более чем в качестве любопытной аналогии. Однако важно понимать, что уравнения общей теории относительности допускают много необычных решений, в том числе и с нарушением принципа причинности. Интересно выяснить, имеются ли какие-то особые механизмы в теории гравитации, защищающие нас от нарушений причинности и других патологий. Над этим трудятся некоторые теоретики.

 

Обнаружение гравитационных волн обсерваторией LIGO – еще одно подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Успешно реализуется проект детектора VIRGO, разрабатывается проект космического лазерного интерферометра гравитационных волн LISA. Как устроены интерферометры, и какой потенциал они несут?

– Гравитационная волна представляет собой искажения геометрии пространства в плоскости, перпендикулярной к направлению движения волны, – растяжение в одном направлении и сжатие в другом. Эта особенность определяет устройство детекторов. В них изучается интерференция световых волн, распространяющихся в двух взаимно перпендикулярных плечах интерферометра. По-разному искажая длины в двух направлениях, гравитационная волна приводит к относительному набегу фазы и сдвигу интерференционных полос.

Обнаружение гравитационных волн открывает абсолютно новые возможности для изучения Вселенной. Это новое «окно» наряду с электромагнитными волнами всех диапазонов, нейтрино, космическими лучами… Во многом это, конечно, перспективы далекого будущего. Но уже сейчас можно делать выводы, например, о том, как часто происходят в нашей Вселенной слияния двух черных дыр звездных масс. Это очень важно для астрофизики.

Следующим шагом в развитии гравитационно-волновой астрономии должен стать космический интерферометр LISA. Он будет составлен из трех космических кораблей, движущихся вслед за Землей по ее орбите и расположенных в вершинах равностороннего треугольника с длиной стороны в миллион километров (почти в три раза больше радиуса орбиты Луны). Расстояние между спутниками определяет длину плеча интерферометра, совершенно недостижимую в земных условиях. Это, а также отсутствие сейсмических шумов, позволит добиться большей чувствительности и исследовать широкий диапазон частот, недостижимых с помощью наземных антенн. Проект LISA заявлен в качестве кандидата на финансирование в рамках программы cosmic visions европейского космического агентства. Уже было принято решение, что миссия L3 (третья большая) будет гравитационно-волновой, и поэтому LISA представляется основным кандидатом. В мае будет принято окончательное решение. Однако предполагаемое время запуска – 2034 год.


▲LISA пока проектируется, а запустится, предположительно, в 2034 году. 
Иллюстрация: ESA-C. Vijoux www.esa.int 


– Давайте поговорим о самой интригующей загадке астрофизики – природе скрытой массы, или темной материи.

– Самого главного открытия так пока и не произошло – мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Она проявляет себя гравитационно в галактических и космологических масштабах – определяет кривые скоростей вращения в галактиках, участвует в гравитационном линзировании, играет важную роль в образовании структур во Вселенной… Но с обычными частицами темная материя должна взаимодействовать весьма слабо. И вне этих рамок никто ее пока не видел. Можно только отметить, что при изучении космических лучей эксперименты PAMELA и AMS-02 зарегистрировали избыток позитронов, который может быть связан с аннигиляцией частиц темной материи. Но это пока спорный вопрос.

Одной из очень популярных возможностей были суперпартнеры частиц в суперсимметричных расширениях стандартной модели. Но, как известно, Большой адронный коллайдер суперсимметрии (пока?) не обнаружил. Все это выглядит несколько обескураживающе – 95 % плотности энергии Вселенной находится в таинственной форме (темная материя и темная энергия). Существуют и активно развиваются альтернативные гипотезы, модифицирующие гравитационное взаимодействие вместо введения новых частиц и полей для объяснения темных секторов. Будущее покажет, где здесь истина.