Наблюдения реликта показали, что геометрия Вселенной близка к плоской.
Некоторые параметры распределения температуры реликта по небесной сфере сильно зависят от полной плотности вещества (темное + барионное), другие – именно от доли барионов. Благодаря работе космических аппаратов WMAP и Planck, а также ряда наземных установок у нас есть возможность определять эти параметры по наблюдениям реликтового микроволнового фона (как правило, важно лишь дополнительно измерить постоянную Хаббла в настоящее время на основе других наблюдательных данных).
Мы наблюдаем реликтовое излучение, прошедшее через всю видимую Вселенную. Соответственно, в характеристиках реликта отпечатались вся история и даже космография. В истории Вселенной был период, когда рекомбинировавшее было вещество снова реионизовалось ультрафиолетовым излучением первых звезд и квазаров. Это произошло на красном смещении около 10, т. е. спустя 400 с лишним миллионов лет после начала расширения, и мы видим это в данных по реликту. Далее реликтовое излучение линзируется на разнообразных структурах по пути к нам, и мы можем изучить статистические свойства этих структур. Наконец, реликтовые фотоны взаимодействуют с горячим газом в скоплениях галактик (эффект Сюняева – Зельдовича), что позволяет определить ряд интересных параметров.
12.3. Измерение температуры реликта в разные эпохи
Предсказание темпа изменения температуры реликтового излучения по мере расширения Вселенной (т. е. по мере роста масштабного фактора) является важным элементом космологической модели. Интересно, что оно может быть проверено, поскольку излучение взаимодействует с веществом, и мы можем наблюдать последствия этого.
Есть два основных метода, позволяющих измерить температуру реликтового излучения в разные эпохи: возбуждение атомных и молекулярных уровней и эффект Сюняева – Зельдовича.
Существуют две основные методики, благодаря которым мы можем измерить температуру реликтового фона на разных красных смещениях. Еще в 1940-е гг. было обнаружено, что молекулы CN в нашей Галактике находятся в возбужденном состоянии, как будто их «подсвечивает» излучение с температурой около 3 К. Это было первое свидетельство в пользу существования реликтового излучения, но тогда его «не узнали». Однако позднее, уже после 1965 г., астрономы сообразили, что реликтовое излучение должно возбуждать различные энергетические уровни в атомах и молекулах, и это можно наблюдать, причем не только в нашей непосредственной окрестности, но и на очень больших расстояниях.
В настоящее время, используя данные по наблюдениям излучения разных атомов и молекул (углерод, молекулярный водород, CO и др.), астрономы смогли проследить изменение температуры реликта на протяжении большей части истории Вселенной – начиная с первых миллиардов лет.
Измерения позволяют определить, как менялась температура реликта начиная с первых миллиардов лет.
Второй метод связан с эффектом Сюняева – Зельдовича. Фотоны реликтового излучения рассеиваются на электронах в горячем газе, находящемся в скоплениях галактик, и отбирают энергию у электронов (обратный эффект Комптона). В итоге в направлении на скопление будет наблюдаться небольшой, но вполне измеримый недостаток фотонов реликта с длиной волны более 2 мм и избыток фотонов с более короткими волнами. Поскольку мы можем определить свойства скопления, единственным неизвестным будет начальная температура поля фотонов, т. е. температура реликтового излучения, попадающего в скопления. Анализ позволяет определить ее с достаточной точностью, а сравнение данных измерений с предсказаниями теории показывает, что они находятся в согласии. Температура реликтового излучения растет в прошлое как T ~ (1 + z), и это является еще одним независимым аргументом в пользу современной модели расширяющейся Вселенной.
12.4. Спектр первичных возмущений
Со времен Ньютона мы знаем, что если в распределенном по пространству веществе есть отдельные сгущения, то со временем из-за действия гравитации они могут начать расти (т. е. уплотняться, сжиматься). В результате постепенно возникает эволюционирующая структура в распределении вещества. Подобный сценарий реализовался в молодой Вселенной. Начальные флуктуации плотности, если они были достаточно велики, с определенного момента стали увеличиваться. В итоге мы видим галактики, скопления галактик, сверхскопления, волокна и войды – крупномасштабную структуру Вселенной и ее отдельные элементы.
При этом статистические свойства (как говорят, спектр) первичных флуктуаций можно установить, изучая данные по анизотропии реликтового излучения.
Сами флуктуации плотности определяются поведением темного вещества. Основная причина этого в том, что количество темного вещества в несколько раз больше, чем барионного (этот фактор является определяющим начиная с эпохи рекомбинации). Но в более раннюю эпоху была еще одна причина: дело в том, что неоднородности в распределении темного вещества начинают расти рано, а обычное барионное вещество до рекомбинации связано с фотонами, и поэтому (до определенного момента) неоднородности в распределении барионов расти не могут.
Для образования структуры во Вселенной необходимы первичные неоднородности плотности.
Когда барионы начинают «натекать» в созданные темным веществом потенциальные ямы, туда попадают и фотоны. Но рост плотности барионов в какой-то момент останавливается из-за давления фотонов, начинается расширение этой области. Происходят акустические осцилляции в барионном веществе. Фотоны, попавшие в потенциальные ямы, выходя из них, «покраснеют» (станут более «холодными»). Кроме того, работает эффект Доплера: если излучающее вещество движется в нашу сторону, то фотоны получат сдвиг в синюю сторону спектра (если от нас – то в красную). Наконец, рост плотности барионов соответствует и росту плотности фотонов, что приведет к эффективному повышению температуры в этой области. Соответственно, в результате сложения трех эффектов возникают сложные флуктуации температуры реликтовых фотонов.
Фотонные флуктуации мы можем обнаруживать на угловых масштабах менее одного градуса, исследуя микроволновое реликтовое излучение. Самая мощная деталь, так называемый доплеровский пик, в спектре мощности реликтового излучения соответствует угловому размеру чуть менее градуса. Это размер звукового горизонта на момент рекомбинации – более крупные области не успевают совершить ни одного полуколебания. На меньших масштабах видны более слабые детали, называемые акустическими пиками, они связаны с акустическими осцилляциями в барионном веществе в эпоху рекомбинации.
Первичные неоднородности в распределении плотности вещества можно изучать по их следам в реликтовом фоне.
Наблюдения показывают, что неоднородности температуры по отношению к ее среднему значению составляют примерно 0,00001, это соответствует уровню флуктуаций плотности на момент рекомбинации. Высота акустических пиков в спектре мощности реликтового излучения сильно зависит от доли барионов в полной плотности, а положение пиков – от кривизны пространства. Наблюдения позволяют определить, что наша Вселенная с высокой (меньше 1 %) степенью точности описывается евклидовой геометрией, а доля барионов в полной плотности составляет 4–5 %.
В современной стандартной космологической модели (которая еще нуждается в непосредственном подтверждении) первичные флуктуации плотности связаны со стадией инфляции в ранней Вселенной. По своей природе они квантовые, флуктуирует само поле, отвечающее за инфляцию, – инфлатон. Экспоненциальное раздувание (очень быстрое расширение), которое происходит на стадии инфляции, усиливает вакуумные флуктуации всех полей. Пока колебания поля малы, они просто осциллируют, но, когда расширение растягивает их до масштабов горизонта, они «замерзают», застывают. Впоследствии они становятся зародышами флуктуаций плотности, из которых и начнет расти наблюдаемая сегодня структура Вселенной.
Теория инфляции предсказывает, что начальные возмущения должны быть максимально случайными (гауссовыми) и что у них нет выделенного масштаба. Именно это и подтверждается в настоящее время по данным наблюдений реликтового фона.
Первичные возмущения плотности возникают на стадии инфляции за счет квантовых флуктуаций.
Флуктуации плотности, «замерзшие» на разных стадиях, имеют различный масштаб. Из-за расширения Вселенной этот масштаб растягивается, но это происходит медленнее, чем растет возраст (масштабный фактор растет как корень из возраста на радиационно-доминированной стадии и как возраст в степени 2/3 на стадии доминирования вещества). А размер горизонта линейно зависит от времени (растет как время в первой степени). Поэтому постепенно флуктуации, имеющие размер больше горизонта (такие флуктуации уже не растут), оказываются внутри горизонта, и может начаться их дальнейший рост.
Кроме так называемых скалярных флуктуаций, приводящих в итоге к неоднородности распределения плотности вещества, на стадии инфляции возникают и тензорные флуктуации. Когда они оказываются под горизонтом, то могут наблюдаться как первичные гравитационные волны. Есть надежда обнаружить их существование, изучая особые неоднородности в распределении поляризации реликтового излучения.
Глава 13Телескопы
Астрономия – наблюдательная наука. Прямой эксперимент в ней невозможен (за редкими случаями изучения тел Солнечной системы). Поэтому практически вся информация в астрономии основана на наблюдениях. Для этого необходимы приборы, которые помогали бы наблюдать слабые объекты и мелкие детали, невидимые невооруженным глазом, а также позволяли бы фиксировать данные для дальнейшего анализа.
Современная астрономия располагает инструментами для наблюдений во всех диапазонах электромагнитного спектра, а также детекторами нейтрино, космических лучей и гравитационных волн. Постоянное совершенствование средств наблюдения, рост их размеров, чувствительности и возможностей позволяют делать все новые и новые открытия, помогающие лучше понять устройство Вселенной.