Было ли что-нибудь до Большого взрыва?
Инфляция стерла любое воспоминание о тех временах, которые предшествовали стадии быстрого расширения, поэтому мы вряд ли ответим на этот вопрос, просто глядя на небо. Кроме того, в самом начале Вселенная была такой горячей и плотной, что сами уравнения, которые мы используем для описания ее расширения и эволюции, не выдерживают никакой критики.
Теория, объединяющая эти уравнения с квантовой механикой, могла бы нам рассказать на языке уравнений о том, что было (и было ли вообще что-то) до Большого взрыва; но очертания этой теории по-прежнему остаются весьма расплывчатыми. А в это время теоретики продолжают фантазировать о пульсирующих вселенных, которые поочередно проходят через серию бесконечных взрывов и сжатий, или о мультивселенных, которые отпочковываются от одной первоначальной Вселенной.
Физики провели несколько экспериментов, в которых попытались найти отпечаток, оставленный гравитационными волнами. В 2014 году ученые, исследовавшие поляризацию с помощью детектора BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), объявили, что их старания увенчались успехом. К сожалению, оказалось, что полученные результаты целиком можно отнести за счет межзвездной пыли. Но работа по поиску продолжается: ученые строят новые телескопы и детекторы и устанавливают их в высокогорных местах планеты с сухим климатом (см. далее).
Если удастся достичь поставленной цели, физики смогут точно сказать, когда, как и почему произошла инфляция. В большинстве теорий инфляции предполагается, что «спусковой механизм» сработал, когда от нулевого момента времени прошло не менее 10–36 с, но не более 10–33 с. В этот момент первоначальная космическая сверхсила расщепилась на три независимых силы, отвечающих за сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Это расщепление есть фазовый переход, подобный тому, который происходит, когда жидкая вода превращается в лед. Этот процесс сопровождался выделением энергии, которое и запустило инфляцию. Картина распределения гравитационных волн помогла бы физикам понять действие сверхсилы и создать теорию великого объединения, описывающую истинную фундаментальную структуру материи. Такая теория помогла бы ответить на вопрос, существуют ли дополнительные скрытые измерения в пространстве; если да, то они могли бы задержать инфляцию на 10–14 с.
Но и тогда, возможно, мы увидим картину, которую инфляция объяснить не в состоянии. И теоретикам придется начинать все сначала.
Детекторы и телескопы
Самые негостеприимные места на Земле наиболее всего приспособлены для наблюдений за первыми моментами существования Вселенной.
Один из самых больших телескопов на планете выглядит крошечным на фоне бескрайних льдов антарктического пейзажа. Телескоп на Южном полюсе был построен для исследования космического микроволнового фона и запечатления Вселенной, существовавшей через 380 000 лет после Большого взрыва. С помощью установленной на телескопе камеры ученые надеются получить отпечаток первозданных гравитационных волн и пролить свет на первую триллионную триллионной триллионной доли секунды после рождения Вселенной (см. выше, «Первая доля секунды»).
Эта камера предназначена для измерения поляризации. Так же, как солнечный свет поляризуется, когда отражается от дороги или озера, излучение микроволнового фона поляризуется при рассеивании на электронах, встречающихся ему на пути через Вселенную, а гравитационные волны должны слегка изменять картину поляризации. Уловить этот эффект будет весьма трудно, так же как услышать стрекотание сверчка на рок-концерте, поскольку слабый сигнал от гравитационных волн теряется на фоне гораздо более сильного сигнала от флуктуаций плотности, происходивших в ранней Вселенной.
Водяные пары в атмосфере поглощают микроволновое излучение, поэтому для наблюдений КМФ нужно искать высокие и сухие места. Толщина льда на Южном полюсе составляет 2830 метров, и воздух там чрезвычайно сухой. Но это не самое высокое место, где стоит подобный телескоп. Антенна для измерения анизотропии микроволнового фона (The Array for Microwave Background Anisotropy, AMiBA) находится на высоте 3400 метров на склоне горы Мауна-Лоа на Гавайях. Еще выше, на высоте 5200 метров у вершины Серро Токо в пустыне Атакама в Чили, расположены еще несколько детекторов, улавливающих сигналы гравитационных волн. К ним относятся эксперимент Polarbear («Полярный медведь»), камера ACTPol (Atacama Cosmology Telescope – космологический телескоп в Атакаме), измеряющая анизотропию поляризации, и система телескопов CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor – наблюдатель больших космологических угловых масштабов). Кроме того, детекторы устанавливаются на аэростатах и парят на еще большей высоте над Антарктикой, Австралией и над штатом Нью-Мексико.
Глава 6
Темная материя
Космос гораздо обширнее, чем те галактики со всем их видимым веществом, которые мы можем наблюдать. В нем незримо присутствует также таинственная субстанция, именуемая темной материей, которая играет более значительную роль, чем обычная материя, и служит гравитационным клеем при образовании звезд и галактик.
Проливая свет на темную материю
Несколько десятилетий тому назад мы думали, что понимаем, из какого вещества состоит Вселенная, но теперь это не так. Сейчас мы знаем, что атомы, из которых состоит все видимое вещество в космосе – от галактик до планет и облаков межзвездного газа и пыли – представляют менее 20 % всей космической материи. Остальные 80 % – это темная материя, невидимая в обычные телескопы. Но если мы не можем ее видеть, откуда же мы знаем, что она есть?
Мы не можем взвесить Солнце или планету на весах. Но мы можем определить их массу, измеряя гравитационное притяжение, которое они оказывают на окружающие их объекты. Таким же образом можно измерить массу галактики или даже скопления галактик, наблюдая, насколько быстро звезды и другие объекты вращаются вокруг их центров. Швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) применил в 1933 году этот принцип к скоплению галактик Волос Вероники, содержащему более 1000 галактик и находящемуся на расстоянии 300 миллионов световых лет от нас. Он нашел, что отдельные галактики в этом скоплении двигаются слишком быстро для своих масс. И непонятно, что их удерживает в скоплении, ведь, по сути, они должны были разлететься в разные стороны (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Доказательство существования темной материи: звезды у краев галактик двигаются слишком быстро, чтобы удерживаться на орбите только за счет притяжения материи, которую мы видим в галактическом центре
Необычные результаты, полученные Цвикки, не привлекали большого внимания вплоть до конца 1960-х годов, когда Вера Рубин (1928–2016) из Института Карнеги в Вашингтоне измерила доплеровское смещение облаков водородного газа в некоторых далеких галактиках. Измерения показали, что для тех скоростей, с которыми облака вращаются вокруг центров галактик, требуется гораздо больше массы, чем ее содержится в видимом веществе.
