Но когда на сцену вышла темная энергия, охотники за темной материей смогли вздохнуть с облегчением. Темной материи больше не приходится в одиночку обеспечивать плоскую геометрию Вселенной. На обновленной круговой диаграмме состава Вселенной большую часть занимает темная энергия, на которую приходится основная тяжесть обеспечения плоской геометрии пространства-времени. Независимо от истинной природы этой загадочной отталкивающей сущности пустого пространства на нее приходится 68,5 %всей массы-энергии нашего мира. На гравитирующую материю приходятся остальные 31,5 %.
Это, конечно, не отменяет необходимости в большом количестве темной материи. Что касается материальной части Вселенной, то она тоже состоит по большей части из загадочной субстанции. Целых 84,4 % гравитирующей массы (26,6 % всей массы-энергии) – это темная и совершенно незнакомая нам материя. На известные нам частицы, из которых состоят звезды, планеты и люди, приходится менее одной шестой (жалкие 15,6 %) всей материи. Это всего лишь 4,9 % «вселенского пирога».
Согласно общепринятой космологической ΛCDM-модели, Вселенная состоит в первую очередь из таинственной темной энергии и темной материи. На «нормальную» барионную материю приходится лишь 4,9 % всей массы-энергии
В последние 20 лет круговая диаграмма состава Вселенной – 68,5 % темной энергии, 26,6 % темной материи и 4,9 % привычной материи – стала символом нашего космического невежества. На протяжении этих лет оценки точного соотношения составных частей слегка менялись и, по-видимому, будут меняться и в ближайшем будущем, но общий вывод остается четким и недвусмысленным: наша Вселенная – это, выражаясь словами Уинстона Черчилля, «загадка, окутанная тайной, покрытой мраком».
А еще эта простенькая секторная диаграмма наглядно показывает нам нашу космическую ничтожность. В XVI веке благодаря Николаю Копернику мы узнали, что Земля – не центр Вселенной. Чуть более 150 лет назад Чарльз Дарвин заставил нас признать, что человек – не венец творения. Теперь по нашему чувству собственной значимости нанесен третий, барионный удар. Мы не просто случайно появившиеся существа, затерявшиеся на бескрайних просторах космоса, но даже само вещество, из которого мы состоим, – всего лишь третьестепенный компонент космоса. Смирись, гордый человек.
Homo sapiens – это недавний росток на дереве эволюции, который появился по космическим масштабам мгновение назад на ничем не примечательной пылинке, которая обращается вокруг заурядной звезды где-то на задворках самой обычной галактики. И не слишком ли много мы возомнили о себе, полагая, что когда-нибудь сумеем решить загадки Вселенной? Возможно, и так. Но это не повод отказаться от таких попыток. За прошедшие века и десятилетия мы уже проделали большой путь, и есть все основания надеяться, что в своем стремлении к небесам мы найдем еще больше ответов.
Старые добрые времена, возможно, и не вернутся, но новые, скорее всего, окажутся еще лучше.
17. Характерные признаки
Старт точной космологии был дан в джунглях Французской Гвианы утром 14 мая 2009 года в 10:12 по местному времени. На космодроме Куру в присутствии десятков астрономов, технических специалистов, официальных лиц и журналистов мощная ракета «Ариан‑5 ECA» оторвалась от земли и поднялась над верхушками деревьев на столбе огня и дыма, заглушив своим ревом пение птиц и непрекращающееся жужжание насекомых во влажном тропическом лесу. Под носовым обтекателем ракеты рядом с отправленным тем же рейсом в космос инфракрасным телескопом «Гершель» находилась обсерватория «Планк» Европейского космического агентства (названная в честь немецкого физика Макса Планка). Перед этой обсерваторией была поставлена задача построения точной карты распределения остатков свечения Большого взрыва – все это для поиска лучшего понимания Вселенной1.
Это свечение – так называемое реликтовое излучение – представляет собой снимок очень ранней Вселенной, запечатлевший ее всего через 380 000 лет после изначального взрыва. За прошедшие с тех пор 13,8 миллиарда лет мельчайшие флуктуации плотности первичного «сусла» каким-то образом превратились в наблюдаемое сейчас волокнистое распределение галактик. В этой «младенческой фотографии Вселенной» содержится информация о составляющих нашего мира, которые сыграли решающую роль в его эволюции. И действительно, данные наблюдений реликтового излучения на обсерватории «Планк» убедительно подтвердили определяющую роль и относительный вклад темной энергии (Λ) и холодной темной материи (CDM). Так что космологи теперь могут смело принять модель ΛCDM на основании одних лишь данных обсерватории «Планк», даже если бы у них не было результатов наблюдений сверхновых или кривых вращения галактик.
Что же, собственно говоря, представляет собой реликтовое излучение? Чтобы понять это, вернемся к самому началу. В течение нескольких первых сотен тысяч лет существования Вселенной образование нейтральных атомов было невозможно из-за господствовавших в ней экстремальных условий. Пространство тогда было заполнено чудовищно горячей плазмой – смесью отдельных протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и частиц темной материи. Эта плазма, совсем как пламя свечи, была непрозрачна: фотоны не могли свободно перемещаться в пространстве из-за постоянного взаимодействия с вездесущими заряженными электронами.
Но после примерно 380 000 лет расширения средняя температура Вселенной упала ниже 2700 °C и стала достаточно «холодной» для того, чтобы ядра водорода и гелия могли захватывать свободные электроны. За какие-то несколько десятков тысяч лет вся плазма превратилась в горячий расширяющийся газ из электрически нейтральных атомов, и мощное излучение этого пылающего пекла получило наконец возможность свободно распространяться в пространстве, не встречая препятствий в виде заряженных частиц.
Следует иметь в виду, что каждая точка расширяющегося пространства была достаточно горячей, чтобы излучать это свечение, по яркости сравнимое с поверхностью Солнца. Излучение, порожденное в непосредственной близости от нас, давным-давно ушло вдаль. Но всех нас окружает «оболочка» пространства, настолько далекая, что ее первичное свечение только сейчас приходит сюда. За время путешествия длительностью 13,8 миллиарда лет спектр этого излучения расширяющейся Вселенной, фотоны которого вначале имели высокую энергию, передвинулся вследствие красного смещения в сторону более длинных волн и дошел до наших детекторов уже в виде слабого холодного и едва уловимого «шипения» в радиодиапазоне. Как уже говорилось в главе 1, именно этот слабый космический микроволновой фон в 1964 году случайно обнаружили радиоинженеры Лабораторий Белла Арно Пензиас и Роберт Уилсон.
Использованная Пензиасом и Уилсоном большая рупорная антенна регистрировала один и тот же поток излучения независимо от того, куда она была направлена. Но с самого начала было ясно, что распределение реликтового излучения не может – и не должно – быть идеально однородным на всем небе. Уже сам факт существования галактик и скоплений галактик в современной Вселенной говорит о наличии в «первичном бульоне» мелких неоднородностей плотности. Эти мелкие неоднородности плотности должны проявляться в виде столь же мелких пятен слегка повышенной или пониженной температуры в распределении реликтового излучения.
Одними из первых количественную оценку ожидаемых размеров этих неоднородностей на основе результатов пионерской работы советского физика Евгения Лифшица 1946 года получили астрофизики Райнер Закс и Артур Вольф из Техасского университета. В своей статье, опубликованной в 1967 году в The Astrophysical Journal, Закс и Вольф пришли к выводу: «Согласно нашим оценкам, если микроволновой фон имеет космологическое происхождение, то в нем должны присутствовать анизотропные компоненты на уровне около 1 %», – правда, этот результат в то время не получил общего признания»2. Но даже в ходе все более точных наблюдений, проведенных в 1970-х и 1980-х годах, так и не удалось обнаружить предсказанные вариации температуры – те самые анизотропные компоненты. Реликтовое излучение оказалось невероятно однородным, и именно это обстоятельство побудило Джима Пиблса предположить в 1982 году существование небарионной холодной темной материи.
Невероятно, но все же не идеально однородным. Великое открытие пришло в январе 1990 года – о нем было объявлено на съезде Американского астрономического общества в Вашингтоне, где ученые представили первые результаты наблюдений на созданном НАСА спутнике COBE (Cosmic Background Explorer – [Обсерватория] для исследования реликтового излучения). На основе этих наблюдений, которые проводились со времени вывода спутника в космос в ноябре 1989 года, была построена карта распределения реликтового излучения с беспрецедентным уровнем точности. В течение нескольких первых недель работы спутника был с высокой точностью измерен спектр реликтового излучения. Были обнаружены долгожданные флуктуации температуры, хотя и на гораздо меньшем уровне, чем за 24 года до этого предсказывали Закс и Вольф.
При средней температуре реликтового излучения 2,725 °K (всего пара с лишним градусов выше абсолютного нуля) температура «горячих» и «холодных» пятен отличается не более чем на 30 миллионных градуса – то есть уровень анизотропии составляет не 1 %, а 0,001 %. Наконец-то в руках космологов оказались цифры для расчетов. В 2006 году научные руководители программы COBE Джон Мазер и Джордж Смут были удостоены Нобелевской премии за их выдающийся научный прорыв.
Но спутник COBE не отличался слишком хорошим угловым разрешением, и полученные карты оказались все еще довольно «размытыми». Инструменты обсерватории зарегистрировали небольшие вариации температуры по всему небу, но не смогли различить самые горячие и холодные «пятнышки» – совсем как мы с вами не различаем отдельные цветные мазки, когда глядим на картину Сёра [22]