Начало нового тысячелетия ознаменовалось великим астрономическим открытием — созданием карты Уилкинсона. Эта карта позволяет космологам обобщить гипотезы и открытия последних десятилетий и наметить новые направления работы. Еще недавно, подводя итоги развития астрономии в XX веке, В. Г. Сурдин писал, что пока «не решены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и неясна ее судьба в будущем». Теперь сделан важный шаг на пути к их решению.
На «машине времени» в даль пространства
Историки могут лишь завидовать астрономам. Кто из медиевистов или знатоков античности не мечтал перенестись в прошлое, чтобы увидеть свой предмет изучения воочию? У астрономов «машина времени» есть, и каждая новая ее модель переносит нас все дальше в глубь эпох.
Телескоп — это «машина времени», и ее «механизм» основан на том, что свет может распространяться лишь со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Поэтому, когда мы вглядываемся в объект, удаленный от нас на 300 тысяч километров, мы видим его таким, каким он был секунду назад, то есть мы на секунду заглядываем в прошлое. Наше космическое «вчера» вновь и вновь оживает пред нашими глазами, все более удаляясь от нас. Даль пространства становится далью времен.
Заглядывая в глубь Вселенной, мы можем, в конце концов, увидеть мироздание таким, каким оно было вскоре после Большого Взрыва! В самом начале Вселенная была раскаленной и непрозрачной. Она представляла собой плотную плазму, в которой частицы света — фотоны — постоянно сталкивались с частицами вещества. Лишь когда Вселенная «остыла» до 3000 Кельвинов (ей было тогда 380 тысяч лет от роду) произошла «рекомбинация»: электроны и протоны объединились в атомы водорода. Теперь вещество утратило способность захватывать фотоны. В «безвидном» прежде мире вдруг, как по библейскому сценарию, вспыхнул свет. Этот «первородный» свет, теперь остывший до 2,7 Кельвинов, навсегда остался в глубинах мироздания. Он получил название космического фонового, или реликтового, излучения. Его существование предсказал в 1948 году великий российский физик Г.А. Гамов, эмигрировавший на Запад. А само излучение обнаружили в 1965 году американские инженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон, удостоенные в 1978 году за это открытие Нобелевской премии.
Вспышка реликтового излучения высветила множество неоднородностей, возникших к тому времени в юной Вселенной. Это и были зародыши будущих галактик и галактических скоплений. Свет рассеивался на этих сгустках, терял свою энергию и слегка остывал. Расчеты показывали, что карта распределения реликтового излучения должна быть испещрена пятнышками — флуктуациями температуры (от лат. fluctuatio, «колебание»), которые выдавали картину распределения вещества в тогдашней Вселенной. Исследование этого излучения могло приоткрыть нам далекое прошлое мира, узнать о том, как шло становление Вселенной.
Однако чтобы увидеть мир «на заре туманной юности», требовалась особенно чувствительная аппаратура. В 1989 году на орбиту был выведен инфракрасный телескоп СОВЕ (Cosmic Background Explorer), благодаря чему через три года была составлена карта реликтового излучения. На ней явственно проступали небольшие, порядка 0,001 процента, различия температуры реликтового излучения, приходящего с разных направлений. Взглянув на открывшийся узор, руководитель проекта Джордж Смут сказал, что видит «морщины времени на лице Бога». Фраза стала крылатой, а эксперименты продолжились. Уж слишком много вопросов возникло у теоретиков.
Эпоха «космической инфляции»
С начала 1980-х годов в теоретической космологии бурные споры вызывала гипотеза космической инфляции, которую предложил американский физик Алан Гут. Стремясь объяснить, как из «Ничто» произошло «Нечто», он разработал новую теорию происхождения Вселенной. По его гипотезе, за короткое время Вселенная стремительно — астрофизики говорят «экспоненциально» — расширилась. Скорость ее расширения превышала скорость света. Гут назвал этот феномен «космической инфляцией» (от лат. inflatio, «вздутие»). Данный процесс теоретики любят сравнивать с тем, как растягивается воздушный шарик, когда его пробуют надуть. Вот так же распирало тогда мироздание. На «инфляционной стадии» Вселенная расширилась в 10100 000 000 раз (десять в стомиллионной степени раз) и стала однородной и плоской.
В 1933 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри впервые наблюдали, как элементарные частицы возникают из Ничто, повинуясь закону Эйнштейна: E = mcc
В этом молниеносно возникшем «пузыре» скопилось неимоверное количество энергии. Когда же процесс «инфляции» прекратился, накопленная энергия высвободилась. По закону эквивалентности массы и энергии (вспомним знаменитую формулу Эйнштейна: E = mcc) последняя превратилась в вещество. Превращение произошло по законам квантовой физики, которые предполагают некоторую неопределенность. Это и привело к флуктуациям энергии — и значит, массы — в различных уголках Вселенной. Там, где плотность оказывалась выше средней, под действием гравитации скапливалось все больше вещества. Возникали скопления галактик.
Стремительное расширение Вселенной обусловило ее топологию. Очевидно, оно протекало в трех
направлениях. Они и стали «теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную, — пишет на страницах журнала «Scientific American» физик Макс Тегмарк из Пенсильванского университета. — Шесть остальных сейчас нельзя обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, либо потому, что материя сосредоточена на трехмерной поверхности девятимерного пространства».
Немалый вклад в разработку «теории инфляции» внесли также советские ученые Алексей Старобинский, Андрей Линде и их зарубежные коллеги — Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт. Данная теория точно объясняет результаты многих наблюдений.
«Еще в 1970-х годах космология — учение о Вселенной в целом — была наукой, в которой предположения преобладали над фактами, — писал американский астроном Майкл Стросс. — Сейчас космология обрела прочный теоретический фундамент, опирающийся на обширные данные систематических наблюдений».
Данные зонда СОВЕ блестяще подтвердили гипотезу Гута. Температура реликтового излучения колебалась, и эти колебания отражали неоднородность энергетического поля. Наличие сгустков вещества было предсказано. Вот только карта СОВЕ оказалась очень мутной, размытой. Мы словно пытались читать строки книги, отнесенной от нас на несколько метров. Приблизиться к этой «книге» стало важнейшей задачей космологии в девяностые годы XX века.
Вселенная оказалась плоской
А заглянуть, наблюдая звездное небо над головой, можно не только в прошлое, но и в будущее. До недавних пор считалось, что судьба мироздания зависит лишь от массы вещества во Вселенной. Если масса достаточна велика, то Вселенная постепенно замедлит свое расширение. Верх возьмут гравитационные силы. Разлетавшиеся прежде галактики снова начнут сближаться и постепенно сольются. Во время этого «термозвездного синтеза» наши небеса разогреются так сильно, что вся твердь расплавится, и произойдет грандиозный взрыв.
Ракета «Дельта II 7425-10» доставила в Космос зонд Уилкинсона
Зонд Уилкинсона фиксировал излучение, наблюдавшееся через 380 тыс. лет после Большого Взрыва
Сторонники другой теории — «открытой Вселенной» — считали, что наш мир будет неудержимо расширяться. «Почему мы обязаны полагать, что Вселенную ждет вечный покой? Нет, жизненные и материальные процессы могут длиться вечно», — писал американский астроном Фриман Дайсон в своей книге «Время без конца», вышедшей в 1979 году. На ее страницах он рисовал картину бесконечного Космоса, переживающего одну вечность за другой.
Астрономические наблюдения девяностых годов убеждали в правоте Дайсона. Похоже, галактики столь стремительно удалялись друг от друга, что никакая сила гравитации не заставит их повернуть назад. Материя никогда не сожмется воедино. Для этого ее масса слишком мала. Наша Вселенная возникла миллиарды лет назад в пламени Большого Взрыва и будет расширяться вечно. Она напоминает огромный шар, повисший посреди Пустоты. Шар этот стремительно раздувается. Скорость, с которой он увеличивается в объеме, в последние миллиарды лет все возрастает.
Однако написанное требовало тут же примечаний. Точный возраст Вселенной был по-прежнему неясен. Сколько ей — десять, двенадцать, пятнадцать миллиардов лет? В середине девяностых годов астрономы пришли в замешательство, когда выяснилось, что самые старые звезды во Вселенной родились раньше, чем она, если предполагать, что ей — 12 миллиардов лет.
А из чего складывается масса мироздания? Видимой массы было явно недостаточно, чтобы удержать в равновесии Вселенную. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи. Космос изобиловал материей неизвестного происхождения.
Вопросы, вопросы, вопросы… Ученые отвечали на них, строя все новые модели развития Вселенной и выдвигая все новые гипотезы. Сколько могла продолжаться эта умозрительная игра? Можно ли теории космологов поверить практикой? Можно, но для этого надо было вглядеться вглубь Космоса так пристально, как не делалось еще никогда. Карта СОВЕ была слишком невнятной, чтобы толковать по ней прошлое и будущее Вселенной. И вот в первый год нового тысячелетия, 30 июня 2001 года, в Космос отправился новый зонд. Он назывался MAP (Microwave Anisotropy Probe) — «Микроволновый анизотропный зонд».
Оснащенный двумя телескопами зонд был доставлен на орбиту, находившуюся в полутора миллионах километров от Земли. На таком расстоянии на его работе не сказывались ни магнитное поле Земли, ни микроволновое излучение — фактор человеческой цивилизации. Разрешающая способность зонда MAP в двадцать с лишним раз превышала тот же показатель СОВЕ. Зонд обследовал буквально всю наблюдаемую часть Вселенной, скрупулезно измерил реликтовое излучение и нанес сведения о нем на карту.
В феврале 2003 года были обнародованы результаты работы зонда MAP. К тому времени он был переименован в зонд Уилкинсона в честь одного из авторов проекта, не дожившего до этого триумфа (профессор Принстонского университета Дэвид Уилкинсон был одним из пионеров в исследовании реликтового излучения).
Вчерашние гипотезы превратились в факты. Теперь мы знаем:
Возраст Вселенной составляет 13,7 (± 0,2) миллиарда лет (она почти в три раза старше Земли).
Первые звезды появились намного раньше, чем предполагалось: всего через 200 миллионов лет после Большого Взрыва.
Теория «космической инфляции» подтвердилась, хотя механизм этого процесса до сих пор не вполне ясен.
Скорость расширения Вселенной — она носит название «постоянной Хаббла» — составляет 71 километр в секунду на каждый мегапарсек расстояния (1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Этот показатель всего на один процент отличается отданных, полученных после десяти лет наблюдений с помощью Космического телескопа имени Хаббла. Совпадение тем более поразительно, что оба результата получены путем наблюдений за совершенно разными физическими процессами.
Вселенная состоит почти на три четверти из так называемой «темной энергии», природа которой непонятна, но именно от нее зависит судьба мироздания; она заставляет Вселенную расширяться все быстрее. На 25 процентов Космос состоит из не менее загадочной «темной материи». К ней принадлежат неизвестные пока элементарные частицы, движущиеся с малой скоростью. Что касается массы видимой материи — массы всех звезд, планет и газопылевых туманностей, — то она составляет около пяти процентов (!) массы мироздания.
Наша Вселенная оказалась «плоской», то есть ее пространство не искривлено наподобие поверхности шара. Таким образом, в трехмерном космическом пространстве справедлива знакомая всем евклидова геометрия, например, сумма углов треугольника обязательно равна 180°.
На карте Уилкинсона отмечены даже флуктуации температуры, равные 0,0002°
Чтобы получить эти результаты, ученые проделали титаническую работу, проверив более миллиона различных моделей, пока не выбрали ту, что во всем совпадает с данными, собранными зондом Уилкинсона. Так криминалист мог бы среди миллиона отпечатков пальцев подыскивать один-единственный.
Зато теперь один из участников этого исследования, профессор Принстонского университета Дэвид Спергелл, вправе был заявить: «Когда я занялся космологией, это была спекулятивная дисциплина. Я никогда не думал, что удастся достичь такой точности результатов. Теперь космология в самом деле стала экспериментальной наукой».
Одновременно велись и ведутся другие исследования — анализ распределения галактик и галактических скоплений, спектральный анализ света квазаров, измерение яркости далеких сверхновых звезд. По их результатам тоже можно оценить геометрию Вселенной, скорость ее расширения, плотность и распределение материи. Все эти данные совпали с результатами, полученными с помощью зонда Уилкинсона. Это лишь подчеркивает справедливость итоговой модели.
«Когда я придумал космическую инфляцию, — признался Алан Гут, — я и поверить не мог, что когда-нибудь увижу, как мои расчеты будут поверены практикой. Позднее боялся, что теория будет опровергнута. Теперь же дело свелось лишь к уточнению кое-каких деталей».
Уточнять есть что. Никто не знает, когда и как началась «космическая инфляция», долго ли она продолжалась и почему прекратилась. Сейчас существует уже более трехсот различных моделей этого процесса. Предстоит выбрать наиболее точную модель, но это не меняет главного: «космическая инфляция» стала частью экспериментальной науки.
Теперь на очереди исследование гравитационных волн — искривлений пространства-времени, возникших сразу после Большого Взрыва (Big Bang). Существование этих волн также проистекает из теории «космической инфляции». Итак, настает время точной, экспериментальной космологии.
Точность данных, полученных зондом Уилкинсона, поразительна. Теперь теоретики располагают солидной экспериментальной базой — фундаментом современной космологии, ее стандартной моделью. Даже удивительно, что теории космологов так точно описывают раннюю эпоху существования Вселенной, хотя ученые понимают, что… ничего не знают о том, из чего на 95 процентов состоит мироздание.
От хруста до шепота: путешествие в Вечность
Лет десять назад космологи спорили в основном о двух вещах: о скорости расширения Вселенной и средней плотности материи. Если последняя превысит определенную критическую величину, то расширение Вселенной прекратится, и она начнет сжиматься. Все кончится катастрофой, коллапсом, «схлопыванием» Вселенной — «Большим Хрустом» (Big Crunch).
Если же плотность не достигнет этой величины, то Вселенная будет бесконечно расширяться. Когда-нибудь погаснут звезды, распадется материя и даже испарятся черные дыры. В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей. Эта модель получила название «Big Whimper» — «Большой шепот».
Исследования последних лет показали, что материи, имеющейся во Вселенной, недостаточно, чтобы вызвать ее коллапс. Однако судьба Вселенной стала еще более неясной, чем прежде. Причина в том, что природа «темной энергии» пока непонятна. Пожалуй, это одна из главных проблема современной физики. Мы вновь не понимаем мир, в котором живем. Поколения ученых постигали законы видимого нам — пусть в телескопы, пусть в микроскопы — макро- и микромира, и что же оказалось? Что они изучали всего 5 процентов материи, из которой состоит мироздание.
За реликтовым излучением наблюдают даже наземные телескопы
Темная энергия, как показывают модельные расчеты, также может вызвать коллапс Вселенной, ее вечное расширение или — еще один вариант — «Большой Разрыв» (Big Rip). Исследование темной энергии затруднено невозможностью лабораторных экспериментов. Быть может, Вселенная — это единственная лаборатория, где мы можем изучать темную энергию.
Расчеты показывают, что именно темная энергия вот уже несколько миллиардов лет вызывает ускоренное расширение Вселенной; она словно отталкивает всю видимую материю. Будет ли так всегда? Все зависит от ее природы, и, значит, судьба мироздания по-прежнему меняется по воле гипотез.
Важнейшим параметром темной энергии, по оценкам космологов, является отношение ее давления к плотности, обозначаемое как «w». По оценке большинства космологов, показатель «w» должен лежать в пределах от — 1,2 до — 0,8. Именно эти значения лучше всего согласуются с данными, полученными зондом Уилкинсона.
Казалось бы, невелика разница, но это фатально меняет судьбу мироздания. Вот какой сценарий будущего предложили в 2003 году известный американский космолог Роберт Колдуэлл и его коллеги Марк Каменковски и Невин Уэйнберг, предположив, что «w» меньше — 1.
Продолжится ускоренное расширение пространства, причем ускорение со временем будет лишь возрастать. В конце концов, Вселенная — и все ее части от галактик до атомных ядер — будет разорвана буквально в клочья.
«Если, например, допустить, что w = — 1,2, — говорит Колдуэлл, — то катастрофа произойдет через 53 миллиарда лет». План распада мироздания выглядит, по его сценарию, так:
Сперва из поля зрения скроются отдаленные галактические скопления.
За миллиард лет до Большого Разрыва станут невидимыми все галактические скопления.
За 60 миллионов лет до Большого Разрыва «погаснет» Млечный Путь. Звезды нашей Галактики удалятся на бесконечно большие расстояния друг от друга.
За три месяца до Большого Разрыва разлетятся вдаль планетные системы. Через некоторое время начнут распадаться черные дыры, теряя материю, что еще не достигла их центра.
За тридцать минут до Большого Разрыва лопнут планеты. Исчезнут все макроскопические объекты.
За 10-19 (десять в минус девятнадцатой степени) секунды до Большого Разрыва последовательно распадутся молекулы, атомы, атомные ядра, протоны и нейтроны. Видимая Вселенная исчезнет.
Справедливости ради заметим, что многие астрофизики скептически относятся к этому сценарию. По словам российского ученого, заведующего отделом ГАИШ Николая Шакуры, все новейшие наблюдения противоречат расчетам Колдуэлла.
Если же показатель «w» будет лежать, например, в пределах от -1 до -0,8, то Вселенная испытает коллапс — «Большой Хруст». Возможно, это событие станет лишь эпизодом в вечной череде становлений и возвращений. Сторонником подобного сценария, получившего название «Циклической Вселенной», является Пол Стейнхардт. Некоторое время эта гипотеза пребывала «в опале». Однако Андрей Линде, один из самых цитируемых за рубежом российских ученых, анализируя возможность создания теории «супергравитации» — теории, которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия, в том числе гравитационную силу, — убедился, что эта теория предвещает коллапс Вселенной в ближайшие 20 миллиардов лет. «Несколько лет назад никто всерьез не задумывался о том, что Вселенная погибнет через 10—20 миллиардов лет. Если же предположение подтвердится, значит, наша Вселенная уже вступила в пору зрелости. Мы не способны изменить судьбу, но хотя бы знаем ее». Быть может, Вселенная уже начала сжиматься, но мы этого не замечаем?
Какому же сценарию отдать предпочтение? Возможно, некоторую ясность удастся внести уже в ближайшие 10 лет, поскольку на 2009 год намечен запуск нового зонда — SNAP (Supernova / Acceleration Probe).
Какие еще откровения нас ожидают? Что за тайны времени и пространства проступят на карте SNAP? Чему позавидуют историки?