Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман

После того как в 1965 году получила признание теория Большого взрыва, модель однородной Вселенной Фридмана стала стандартной космологической моделью. Однако после того, как спутник COBE обнаружил пульсации в космическом микроволновом фоне, стандартная модель Вселенной снова была пересмотрена – на этот раз с учетом галактик, а также их скоплений и сверхскоплений, существование которых на тот момент уже было бесспорно.

Прежде чем критиковать новую стандартную модель Вселенной (мы займемся этим в главах 9 и 10), давайте сперва разберемся с явлениями, которые лежат в ее основе, – темной материей и темной энергией. Учитывая, что каждую неделю наше представление о них кардинально меняется, к соответствующей информации следует относиться с осторожностью: читая в New York Times новость о каком-то открытии, не спешите верить ей, пока не услышите мнение реальных экспертов.

* * *

Спутники вращаются вокруг Земли потому, что гравитация искривляет их траектории и превращает в замкнутое кольцо, препятствуя их естественному стремлению лететь по инерции вглубь космоса. А поскольку сила гравитации, которой подчиняется спутник, зависит от массы Земли, от нее также зависит и скорость движения спутника по орбите. Получается, что чем выше скорость спутника, тем больше должна быть масса Земли, чтобы удержать его на орбите. Тот же принцип применим и к планетам – спутникам Солнца, а также к звездам, движущимся по орбите вокруг центра галактики.

На протяжении последних 150 лет вопрос о существовании невидимой материи поднимался несколько раз. В 1930-х годах астроном Фриц Цвикки заметил, что скорости, с которыми галактики движутся внутри скоплений, слишком высоки, чтобы объяснить их суммарной массой, испускающей свет, то есть массой звезд внутри скоплений. Пытаясь объяснить эти скорости, он и пришел к мысли о существовании темной материи. В настоящее время темная материя рассматривается именно как материя, не излучающая свет. Следующие 40 лет к догадкам Цвикки никто не относился серьезно. Ситуация изменилась, когда Вера Рубин заметила, что не только внутри скоплений, но и на границах самих галактик скорости движения звезд слишком велики, чтобы объяснить их воздействием светящейся материи внутри этих галактик. По идее, звезды, расположенные на границе галактики, должны были бы срываться с орбиты и улетать в межгалактическое пространство.

Вычисления, приведенные Рубин и ее командой, были весьма однозначны. С учетом допплеровского сдвига довольно просто измерить скорость движения звезд, вращающихся вокруг центров галактик. В настоящее время подобные измерения проведены уже в тысячах галактик и скоплений, причем результаты всех измерений подталкивают нас к одному и тому же выводу: большая часть материи внутри галактик невидима. Более того, около 85 % материи во Вселенной составляет именно темная материя.

Это железная истина, а потому вопрос, что же такое темная материя, вполне закономерен. Но не менее закономерен и единственно правильный ответ: мы не знаем. Возможно, менеджер по продажам или политик ответят вам как-то иначе, но ученый скажет именно так.

Любое тело, не источающее свет, предположительно может являться темной материей. Кандидатов на эту роль так много, что маленькой книжки вроде этой просто не хватит, чтобы рассказать обо всех (на самом деле мы не сможем обсудить даже нескольких, ведь все возможные кандидатуры были просто отсеяны).

* * *

Естественными претендентами на роль темной материи выступают черные дыры и их близкие родственники – нейтронные звезды: и те и другие по определению не могут являться источниками света. Пожалуй, к ним также можно добавить так называемых коричневых карликов. Это своего рода несостоявшиеся звезды, масса которых в несколько десятков раз превышает массу Юпитера. Коричневые карлики испускают тусклый свет, поскольку их масса все-таки недостаточна для запуска термоядерной реакции. Сам Юпитер, точнее, множество Юпитеров могут служить кандидатами на роль темной материи. Астрономы дали таким телам собирательное название массивных астрофизических компактных гало-объектов (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs). К сожалению, практически всем им было отказано в звании темной материи – и на то были веские причины.

Как уже было сказано в главе 3, общая теория относительности требует, чтобы массивные тела отражали свет. Это значит, что свет, огибающий звезду, черную дыру или галактику, будет отклоняться от своего первоначального пути, – это похоже на преломление света, проходящего через стеклянную линзу. В результате гравитационного линзирования изображение астрономического объекта, расположенного по ту сторону гравитационной линзы, искажается, объект кажется изменившим положение. В настоящее время гравитационное линзирование является хорошо изученным феноменом: оно позволило телескопу «Хаббл» и другим современным телескопам сделать множество впечатляющих снимков.

Поскольку Млечный Путь непрерывно вращается, гало-объекты на границах галактики вращаются вместе с ним. Если свет, исходящий из какого-либо источника вне галактики, вроде чрезвычайно яркой звезды, будет проходить поблизости от гало-объекта (который в данном случае будет выполнять функцию гравитационной линзы), со стороны, по идее, наблюдатель увидит легкое подрагивание источающей свет звезды по мере того, как находящийся перед ней гало-объект будет смещаться. Тем не менее в ходе статистических исследований множества звезд Млечного Пути и Магеллановых Облаков ученым так и не удалось найти убедительных доказательств гравитационного линзирования со стороны объектов гало.

Более конкретная причина, по которой гало-объекты не могут считаться темной материей, – первичный нуклеосинтез. Чем бы на самом деле ни являлись гало-объекты, они состоят из обычной, или барионной, материи, которая, вероятно, существовала еще в период нуклеосинтеза. Увеличение плотности барионов должно было привести к увеличению количества ядерных реакций, а поскольку именно ядерные реакции были ответственны за выработку гелия в период нуклеосинтеза, его объемы также должны были бы стать больше. В то же время количество гелия, наблюдаемое астрономами, было произведено при плотности барионов, соответствующей количеству светящейся материи во Вселенной. Если темной материи во Вселенной действительно в 5 или 6 раз больше, чем обычной, она просто не может состоять из барионов, ведь гелия, появившегося в результате Большого взрыва, в таком случае должно было быть намного меньше. Это прекрасный пример, как различные аспекты научной теории подкрепляют друг друга.

Кроме того, детальный анализ пульсаций реликтового излучения, CMBR (мы рассмотрим его в главе 10), требует, чтобы соотношение темной материи и барионов сохранялось тем же, что в период нуклеосинтеза. Из чего бы ни состояла темная материя на самом деле, это точно не то, из чего сделаны мы.

* * *

Следующим кандидатом, очевидно, становится нейтрино. Фотоны, являющиеся частицами света, участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино же возникают при слабом ядерном взаимодействии и не являются частицами света. К тому же они очень легкие. Более полувека физики думали, что нейтрино, как и фотоны, вообще не имеют никакой массы. Это заблуждение и подтолкнуло их к мысли о том, что нейтрино является частью темной