4.
Так что астрономы имеют неплохое представление о том, какой была Вселенная 380 000 лет после Большого взрыва, а детальный анализ картины распределения реликтового излучения – «младенческой фотографии Вселенной» – позволяет определить важнейшие свойства нашего мира. Еще раз отметим, что речь идет лишь о «съемке в младенческом возрасте» – стоп-кадре новорожденной Вселенной. Если представить себе современную Вселенную в виде 50-летней женщины, то карта распределения реликтового излучения дает представление о том, как она выглядела, когда ей было всего полдня от роду. Как же этот «младенец» рос и как происходило его взросление?
Ну, во‑первых, с момента отделения реликтового излучения Вселенная расширилась почти в 1100 раз (если бы человеческое тело развивалось подобным образом, то к 50 годам наша дама выросла бы до 550 метров). При таком резком росте можно было бы ожидать, что перепады плотности ранней Вселенной со временем сгладятся, но в действительности они стали еще более выражены из-за гравитации. Вследствие расширения Вселенной плотность во всех точках пространства уменьшилась, а в областях повышенной плотности это уменьшение происходило гораздо медленнее, что привело к увеличению контраста. Как мы знаем из главы 11, этот процесс был подробно исследован с помощью компьютерного моделирования.
Области повышенной плотности в распределении темной материи имели возможность расти на протяжении первых 380 000 лет космической истории, потому что темная материя не взаимодействовала с излучением. По мере дальнейшего старения Вселенной они продолжили притягивать к себе новые порции небарионной, а теперь также и барионной материи. Но то же самое можно сказать и о слегка уплотненных оболочках, окружающих концентрации темной материи и удаленных от них на 450 000 световых лет, – гребнях барионных акустических осцилляций, «замороженных» в момент отделения излучения. К ним тоже стала притягиваться темная и «нормальная» материя.
Эта сложная картина вариаций плотности со временем превратилась в крупномасштабную нитевидную структуру современной Вселенной, известную также как «космическая паутина». Так что при тщательном исследовании пространственного распределения галактик все еще можно обнаружить на карте реликтового излучения предпочтительное расстояние в 450 000 световых лет, которое к настоящему времени увеличилось примерно до 500 миллионов световых лет. «Замороженные» осцилляции должны быть различимы до сих пор, даже спустя 13,8 миллиарда лет эволюции Вселенной.
Конечно же, на снимках ночного неба вы не увидите круглых конфигураций из галактик, которые вы могли бы представить себе после просмотра весьма нереалистичных иллюстраций в популярных изданиях, посвященных барионным акустическим осцилляциям. Напомню, что речь идет об очень тонком эффекте на фоне в общем-то гораздо более однородного распределения галактик. Но если вы построите трехмерную карту распределения десятков тысяч галактик и измерите физические расстояния для всех пар, то на полученной в результате так называемой двухточечной корреляционной функции должен быть виден горб, соответствующий взаимному расстоянию 500 миллионов световых лет – как минимум в местной области современной Вселенной. На значительно бо́льших расстояниях, соответствующих более далекому прошлому, осцилляции должны иметь меньшую амплитуду, потому что в ту эпоху Вселенная еще не выросла до современных размеров.
До 2005 года глубина и охват обзоров галактик были недостаточны для убедительного выявления этой характерной картины. К этому времени проявления барионных акустических осцилляций были успешно обнаружены в трехмерном распределении далеких галактик в ходе выполнения Обзора красных смещений галактик 2dF и Слоановского цифрового обзора неба – об этих двух программах уже говорилось в главе 65. Таким образом была обнаружена четкая связь между «пуантилистской» картой реликтового излучения и статистическими свойствами распределения галактик – несомненная связь между «младенческой» фотографией и снимком взрослой дамы. Фрагменты космологической мозаики стали складываться в единую вполне осмысленную картину.
Главный вывод состоит в том, что мы видим прошлое в настоящем. Мощные звуковые волны, распространявшиеся в чудовищно горячей плазме в первые несколько сот тысяч лет космической истории, оставили след в крупномасштабной структуре Вселенной – характерное родимое пятно, которое видно в том числе и на «крапчатой» «младенческой фотографии», полученной в ходе изучения реликтового излучения.
Когда я смотрел на запуск в космос обсерватории «Планк», данные которой позволили впоследствии получить самые точные на данный момент оценки космологических параметров, у космологов практически не осталось сомнений в правильности ΛCDM-модели. Накопление данных, свидетельствовавших о существовании темной материи, происходило медленно, но верно на протяжении многих десятков лет. В 2009 году также уже нельзя было игнорировать и такой недавно появившийся на теоретической сцене персонаж, как темная энергия. Космологическая модель ΛCDM дала нам стройное описание состава и эволюции Вселенной, которое прекрасно согласуется со всем массивом наблюдательных данных, а также с результатами последних модельных расчетов на суперкомпьютерах. Ни одна другая модель Вселенной не может сравниться с ней в успешности.
И все же я не могу избавиться от мучающей меня мысли «а что, если…» А что, если космологи гоняются за химерами? Ведь в конечном счете все до единого свидетельства в пользу существования темной материи и темной энергии косвенные. Никто еще не обнаружил ни одной частицы темной энергии и не получил прямых измерений ускоренного расширения пространства. У нас есть только косвенные доказательства. Динамика галактик, наблюдения гравитационного линзирования и сверхновых, барионные акустические осцилляции. А что, если все эти данные просто сбивают нас с пути? А вдруг мы просто сами себя загоняем в угол подобно сторонникам теории эфира в XIX веке, о которых говорилось в главе 1? А что, если темная материя и темная энергия – это просто математические ухищрения для оправдания нашего фундаментального невежества – своего рода эпициклы современной физики?
Глядя на уносящуюся в космос мощную ракету с бесценным грузом, я думал о том, куда же движется космология. Побольше измерений и поточнее – это замечательно. Но если космологическая модель ΛCDM верна, если окружающий нас привычный мир – это жалкие 4,9 % от в основном покрытой завесой тайны Вселенной, то не пришло ли время вместо хотя бы одного из больших вопросительных знаков поставить восклицательный? Как минимум, экспериментально «нащупать» темную материю…
Об этом же думали дерзкие физики по другую сторону Атлантического океана – их эксперимент осуществлялся не в космосе, а глубоко под землей в итальянских Апеннинах. Самое время.
И главный их козырь – ксенон.
Часть IIIХобот
18. Ксеноновые войны
Небоскребы Манхэттена, словно армия, вооруженная вилами, устремлены навстречу висящим над Нью-Йорком темным тучам. Позже днем ожидается снег, но пока что Эмпайр-стейт-билдинг, Крайслер-билдинг, небоскреб Парк-авеню, 432, и Башня Свободы купаются в лучах ненадолго появившегося январского солнца.
«Чудесный вид, – говорит Елена Априле с приятным итальянским акцентом. – Мне он никогда не надоедает». Мы встретились в скай-лаундже на 47-м этаже небоскреба в Бруклине, где находится ее квартира1. После интервью она угостила меня по-настоящему хорошим эспрессо в своей стильной кухне и показала фотографию первого внука: «Так замечательно видеть свою дочь мамой». А еще она показала мне собственную фотографию конца 1970-х годов, когда ей было 23 года. Вот она в ЦЕРНе, как она сама выразилась – молодая и с большими планами на будущее.
И планы у нее до сих пор грандиозные, как и полагается основателю и многолетнему главному представителю эксперимента КСЕНОН (XENON) по поиску темной материи2. Априле всегда хотела добиться большего, чем другие. Нет, она не нашла темную материю. Пока еще нет. Но это может случиться в любой момент, и будет замечательно, если достойное Нобелевской премии открытие будет сделано именно на ее новом детекторе XENONnT.
Дело в том, что Априле не единственная, кто мечтает об успехе, славе и Стокгольме. Другие группы в Соединенных Штатах и Китае бьются над той же задачей, используя ту же самую основанную на жидком ксеноне технологию. Бывшие коллеги. Ее собственные ученики. Даже ее бывший муж. Если это война, то Априле настроена только на победу. Быть лучшей, как всегда.
Очень нетривиальный человек, как сказал мне технический координатор проекта XENONnT Ауке-Питер Колейн во время моего пребывания в Национальной лаборатории Гран-Сассо.
Елена Априле родилась в Милане и изучала физику в Неаполитанском университете. На третьем курсе она подала заявку на летнюю практику в ЦЕРНе. Она прошла отбор и поступила в исследовательскую группу Карло Руббиа – тогда это было главное и лучшее событие в ее жизни, несмотря на то что Руббиа не отличался доброжелательностью, особенно по отношению к женщинам. И это было еще в мае 1977 года, за много лет до присуждения ему Нобелевской премии и назначения его генеральным директором ЦЕРНа.
Если отвлечься от этих гендерных проблем и проблем субординации, то ЦЕРН был настоящим научным раем, воротами в международную физику. Априле так и не вернулась в Италию – или, точнее, к своему парню. Она осталась у Руббиа больше, чем на полгода и встретила там немецкого физика Карла Гибони, за которого в 1981 году вышла замуж, учась в аспирантуре Женевского университета.
В 1983 году Руббиа предложил Априле и Гибони работу на должности постдоков в его исследовательской группе в Гарвардском университете, которая занималась экспериментом по изучению возможного распада протонов. Априле постепенно пробила себе дорогу в этом