Эффект Сакса-Вольфа (изменение частоты фотона реликтового излучения, движущегося в изменяющемся гравитационном поле) приводит к появлению корреляции между наблюдаемой неоднородностью реликтового излучения и распределением относительно близких (z ≤ 1) галактик. Если во Вселенной доминирует вещество, этот эффект не проявляется. Если же космологическая постоянная достаточно велика, то она влияет на темп роста крупномасштабных структур (скоплений и сверхскоплений галактик) и приводит к тому, что поле возмущений гравитационного потенциала успевает измениться за время полета фотона от далекой галактики до нас. Следствием этого должна быть дополнительная анизотропия реликтового фона, зависящая от крупномасштабного распределения вещества в эпоху, когда темная энергия стала динамически важным компонентом Вселенной. Анализ крупномасштабного распределения галактик и радиоисточников подтвердил существование этого эффекта.
Неожиданный подход к изучению темной энергии дают излучающие в рентгеновском диапазоне скопления галактик. Скопления галактик, как обычно пишут, — это самые крупные гравитационно-связанные объекты Вселенной. Они содержат тысячи галактик в пределах нескольких мегапарсеков (напомню, что расстояние от нашей Галактики до туманности Андромеды составляет примерно 2/3 мегапарсека). Большой вклад в барионную массу скоплений дает горячий газ, являющийся источником сильного рентгеновского излучения. Предположив, что доля газа в скоплениях является постоянной и не зависит от красного смещения (эта доля просто отражает долю барионного вещества во Вселенной), можно получить независимые от красного смещения оценки расстояний до скоплений. Оказалось, что эти оценки согласуются с моделью Вселенной с большим значением космологической постоянной.
Есть и другие свидетельства существования темной энергии — подсчеты далеких скоплений галактик, слабое и сильное гравитационное линзирование и пр. Эти свидетельства следуют из разных, не связанных между собой наблюдательных эффектов. По отдельности к каждому из них можно придраться и придумать другое объяснение, но лишь существование темной энергии единым и, по сути, самым простым образом объясняет весь весьма разнородный комплекс данных. Именно совокупность наблюдательных тестов позволяет считать существование темной энергии надежно установленным фактом. Напомню, что расширение Вселенной и наличие в ней темной материи также подтверждается самыми разными и независимыми свидетельствами (разделы 2.2 и 2.5). Нелишне будет также напомнить, что темная энергия довольно естественным образом возникает и в разнообразных построениях теоретиков — в частности, эта энергия, возможно, представляет собой давно обсуждавшуюся (еще с первой половины XX века) энергию физического вакуума.
Основные участники этой истории — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Раисе — стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2011 год с официальной формулировкой «За открытие ускоренного расширения Вселенной с помощью наблюдений далеких сверхновых».
2.7. Портрет Вселенной
Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной.
Стивен Вайнберг
В предыдущих разделах я остановился на наиболее общих наблюдательных основах космологии, к которым можно отнести расширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю, ускоренное расширение. Это, конечно, далеко не все, что можно было обсудить. Например, я почти не писал о первичном нуклеосинтезе, предсказания которого подтверждают картину Большого взрыва, и о крупномасштабной структуре Вселенной, свойства которой также согласуются с этой картиной. К фундаменту космологии можно отнести и основную тему этой книги — факт, что ночное небо является темным, но к этому я снова вернусь в последней главе.
Попробуем восстановить основные черты эволюции Вселенной и ее характеристики. При этом под Вселенной, как и везде в этой книге, я буду подразумевать конкретный объект — расширяющийся пузырек пространства-времени, возникший около 14 млрд лет назад. Слово Вселенная я всегда пишу с большой буквы, имея в виду что она, возможно, не является единственной, и что существует бесчисленное множество других вселенных, подобно тому, как за пределами нашей Галактики существуют миллиарды других галактик (см. следующий параграф).
Итак, соберем воедино кусочки мозаики и представим себе портрет окружающей нас Вселенной. Сначала о том, что видно, то есть о распределении галактик. На относительно небольших масштабах их распределение сильно неоднородно — яркие галактики окружены свитами из карликовых галактик, галактики часто образуют пары и группы, существуют гигантские конгломераты галактик — скопления и, наконец, на масштабах десятков мегапарсеков наблюдаются сверхскопления, волокна (филаменты) и пустоты (войды) (рис. 41). Что же дальше? Есть ли во Вселенной более крупные образования? Нет, как показывают наблюдения, по мере роста масштаба усреднения распределение галактик становится все более и более однородным. (Напомню, что сильнейшим аргументом в пользу глобальной однородности Вселенной является также удивительная изотропия реликтового излучения, характеризующего распределение плотности во Вселенной при z ~1000.) Об этом же свидетельствуют и теоретические работы, посвященные моделированию образования структур во Вселенной.
Рис. 41. Крупномасштабное распределение 62 559 галактик (точки) в двух узких (толщиной 3°) конических разрезах по данным обзора 2dF. Земля находится в центре рисунка, вдоль радиуса отложено красное смещение, максимальному z соответствует расстояние около 1 гигапарсека. (Рисунок с сайта www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/)
На рис. 42 в качестве примера показаны результаты численных расчетов формирования крупномасштабной структуры Вселенной в рамках стандартной космологической модели, учитывающей вклад Λ-члена и скрытой массы (так называемая Λ-CDM модель). Эти, и другие подобные им, расчеты стартуют с исходно почти однородного распределения скрытой массы, прослеживают рост индивидуальных сгущений темной материи — темных гало, затем рассматривается, как эти гало нагребают газ из окружающего пространства, в них стартует процесс рождения звезд и, наконец, «вылупляется» звездная галактика. Отдельные этапы этого процесса поняты, конечно, еще плохо, но в целом в этом сценарии удается хорошо воспроизвести как особенности пространственного распределения (наличие структур на небольших масштабах, крупномасштабную однородность), так и удовлетворительно описать свойства самих галактик. Естественно, сравнение наблюдений (рис. 41) и расчетов (рис. 42) осуществляется не просто разглядыванием картинок (они, действительно, похожи), а детальным математическим анализом.
Рис. 42. Крупномасштабное распределение галактик в современную эпоху по данным численных расчетов (Шпрингел и др. 2005). Размер показанной области составляет примерно 0.5 гигапарсека.
