Исходный код Вселенной: как разгадать эволюцию мироздания

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.