14 миллиардов лет назад со Вселенной что-то произошло, и пространство стало стремительно расширяться. Это, кстати, не означает, что до этого пространство было сжато в одну точку, и расширение началось из неё. Возможно, мир тогда (а значит, и теперь) был бесконечным, а расширение началось во всех точках сразу. Представьте себе, например, бесконечную плоскость, на которой увеличивается расстояние между любыми двумя точками.
Что послужило причиной Большого взрыва? Какой Вселенная была до него? В каком смысле здесь вообще можно употреблять слово "до"?
Эти вопросы активно обсуждаются теоретиками. Лучше всего на них отвечает теория инфляции. Есть у неё и наблюдательные подтверждения – детали распределения реликтового излучения, измеренные аппаратом WMAP, совпадают с предсказаниями теории. Но всё же это трудная для исследований область, на самых границах возможностей современной науки.
О том, что происходило "после", а не "до", нам известно гораздо больше. Кстати, об этом на популярном уровне рассказывает прекрасная книга нобелевского лауреата Стивена Вайнберга (Steven Weinberg) "Первые три минуты".
В самом начале расширения Вселенная была невероятно горячей и плотной. Такие состояния недостижимы в эксперименте, даже рекордам Большого адронного коллайдера до них далеко. О поведении материи в этих условиях можно судить только на уровне теоретических соображений. Но, по мере того как пространство расширялось, вещество и энергия распределялись по всё большему и большему объёму. Не прошло и триллионных долей секунды, как температура и плотность упали до значений, для которых законы физики хорошо изучены и проверены.
Именно поэтому теория Большого взрыва изобилует расчётами, какая Вселенная должна получиться в итоге. Очень важно, что многие из этих расчётов были выполнены до того, как стало известно, что Вселенная и впрямь именно такая.
Самый ранний и известный пример этого – реликтовое излучение, которое сначала было предсказано нашим соотечественником Георгием Гамовым, а потом открыто наблюдателями. Причём оказалось, что оно обладает в точности предсказанными характеристиками (это подтвердили и гораздо более поздние наблюдения). Но вообще-то таких примеров очень много.
Это значит, что модель Большого взрыва обладает главным качеством успешной научной теории. Она не только объясняет уже известные факты, но и верно предсказывает ещё не известные. Именно это – ключевой признак, отличающий научные теории от философских измышлений.
Но есть у модели Большого взрыва предсказание, доставляющее учёным немало хлопот. Расчёты ядерных реакций, которые должны были происходить в ранней Вселенной, проведённые ещё 25 лет назад, показывают, сколько сейчас должно быть протонов и нейтронов в обозримой части космоса.
Проблема в том, что наблюдаемое вещество, включая звёзды, межзвёздный газ и всякие экзотические объекты вроде чёрных дыр, обеспечивает лишь около 10% этого количества. Тёмная материя тоже не спасает дело – она, по-видимому, состоит не из атомных ядер с электронами, а из неких экзотических частиц.
Что это означает? Что в теорию придётся вносить изменения? Возможно. Но не следует торопиться с выводами.
Дело в том, что отнюдь не каждый существующий во Вселенной объект легко увидеть. Например, нейтронные звёзды почти не излучают видимого света и были открыты как природные радиомаяки. Чёрные дыры звёздной массы обнаруживаются только как источники гравитационных волн. Их сверхмассивные собратья наблюдаются как активные ядра галактик и квазары, но лишь когда вокруг них достаточно вещества. Иначе их не видно, во всяком случае, пока такой монстр не разорвёт звезду. Средств наблюдать чёрные дыры промежуточной массы у нас практически нет вообще.
Так что же представляет собой эта недостающая материя? Моделирование показывает, что она должна быть крайне разрежённым газом температурой от ста тысяч до десяти миллионов градусов. Этот газ должен образовывать нити, протянувшиеся между галактиками на десятки миллионов световых лет.
Обнаружить такое вещество почти невозможно. Чтобы быть заметным в телескопы, работающие с какими бы то ни было диапазонами, оно должно быть или гораздо плотнее, или гораздо горячее. Чтобы воздействовать на галактики своей гравитацией, ему опять-таки не хватает плотности.
Но астрономы славятся своим умением находить самые невероятные способы вытаскивать информацию из наблюдательных данных. Подобные нити уже были обнаружены несколько лет назад с использованием света квазара.
В этот раз исследователям помог эффект Сюняева – Зельдовича. Между прочим, в связи с открытием этого эффекта эксперты называли Рашида Алиевича Сюняева одним из потенциальных нобелевских лауреатов текущего года, но в итоге премию вручили за открытие гравитационных волн.
Явление заключается в том, что на интенсивность реликтового излучения влияют электроны межзвёздного и межгалактического газа. А где электроны, там и атомные ядра, ведь газ в целом нейтрален. Таким образом, наблюдая реликтовый фон, можно оценить, сколько вещества в тёмных безднах между галактиками.
В реальности всё далеко не так просто. Но недавно сразу две группы исследователей – команда Анны де Графф (Anna de Graaff) из Эдинбургского университета и коллектив Хидэки Танимуры (Hideki Tanimura) из Университета Британской Колумбии – сообщили, что им удалось обнаружить загадочные нити.
Оба коллектива использовали данные по реликтовому излучению, полученные аппаратом Planck. По следам воздействия электронов на эти древние радиоволны исследователи искали волокна газа, соединяющие галактики. Команда Танимуры изучила 260 тысяч пар галактик, а команда де Графф – целый миллион.
Обе группы обнаружили, что нити существуют и они в несколько раз плотнее фонового межгалактического газа. У коллектива де Графф получилось, что в среднем в шесть раз, а у команды Танимуры – что в три раза. Разница между этими значениями может объясняться тем, что усреднение проводилось по разным выборкам, ведь плотность нити зависит от расстояния между галактиками.
По оценкам группы де Графф, этих наблюдений достаточно, чтобы вкупе с обычным видимым веществом обеспечить 30% нужной плотности атомных ядер. Откуда взять ещё 70%, пока остаётся загадкой. Возможно, нужны более чувствительные наблюдения, которые обнаружат менее плотные нити. Или же недостающая материя существует ещё в какой-либо форме.
Статья команды де Графф и работа коллектива Танимуры опубликованы на сайте препринтов arXiv.
К слову, не так давно мы писали о том, что наблюдаемое количество тёмной материи может заставить космологов пересмотреть свои модели. А ещё о том, как скорость расширения Вселенной измеряется по изображениям сверхновых в гравитационных линзах. Напомним, кстати, что и открытие тёмной энергии, составляющей около 70% всей энергии Вселенной, состоялось всего лишь двадцать лет назад.
Мы живём в удивительное время. Представления о самых фундаментальных свойствах мира меняются прямо у нас на глазах.
