Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

♦ А — амплитуда первичной флуктуации;

♦ τ — оптическая толща на момент реионизации.

Явление реионизации до сих пор не упоминалось. Чтобы описать его, мне придется подробнее рассказать о развитии Вселенной от момента последнего рассеяния до формирования первых звезд, которое станет важной частью этой истории.

Первые звезды

Сразу после рассеяния фотонов, на 380 000-м году своего существования, Вселенная представляла собой шар горячего газа, состоящего из атомов (в основном водорода и гелия), наряду с газом из фотонов, более не вступающим во взаимодействие, и все это имело одну и ту же температуру — 3000 К. Эта температура соответствует пиковой длине волны около 1 мкм, лежащей в околоинфракрасной части спектра черного тела. Однако, поскольку этот спектр довольно широк, во Вселенной все еще остается много видимого света и небеса имеют яркооранжевый цвет.

По мере того как газовый шар расширялся, обе его составляющие синхронно остывали, их спектральные пики приходились на все более и более длинные волны и небо становилось все краснее, пока примерно через 6 млн. лет после своего рождения Вселенная почти не перестала испускать видимый свет. Последовавший за этим период, названный Темными веками, длился несколько сотен миллионов лет, пока не сформировались первые звезды и во Вселенной снова не появился видимый свет.

Темная материя тоже расширялась. Когда она остыла, то стала формировать сгустки, вследствие чего менее массивная атомная материя также начала сгущаться вместе с ней. Поскольку темная материя слабо взаимодействует с остальным веществом, ее сгущение не привело к какой-либо потере энергии. Атомы же чаще сталкивались друг с другом, вследствие чего энергия рассеивалась и они остывали быстрее, чем это происходило бы вследствие одного только расширения Вселенной. Благодаря этому собственной гравитации атомов вместе с гравитацией темной материи стало еще проще сжимать атомное вещество все сильнее. Таким образом, внутри более холодной окружающей среды формировались горячие плотные ядра. В итоге температура и давление этих ядер достигли уровня, достаточного для того, чтобы запустилась реакция термоядерного синтеза и начался процесс формирования звезд.

Однако они были не очень похожи на звезды в современной Вселенной. Самые первые звезды были примерно в 100 раз массивнее сегодняшних и практически полностью состояли из водорода и гелия. Как следствие, они имели очень высокую температуру и излучали ультрафиолетовый свет, который ионизировал окружающую среду. Этот процесс называется реионизацией.

Первые галактики, образовавшиеся, когда эти звезды сформировали скопления, представляли собой квазары и другие формы активных галактик со сверхмассивными черными дырами в центре, интенсивное излучение которых также вносило свой вклад в реионизацию.

Итак, в некогда темной электрически нейтральной Вселенной снова появились заряженные частицы. Хотя их плотность была намного меньше, чем до момента последнего рассеяния, ее было достаточно для того, чтобы пространство частично утратило прозрачность, которую приобрело вместе с потерей заряда. Благодаря этому туману, образовавшемуся вследствие реионизации, интенсивность реликтового излучения, которое мы в конечном итоге наблюдаем на Земле, снизилась. В модели LCDM этот процесс описывается параметром, называемым оптической толщей на момент реионизации т, который характеризует густоту тумана. На основании этого параметра ученые смогли рассчитать, когда произошла реионизация. Это случилось примерно через 400 млн. лет после Большого взрыва.

Космическая обсерватория «Планк»

Четырнадцатого мая 2009 года с космодрома Гвианского космического центра, расположенного во Французской Гвиане, был запущен «Планк» — астрономический спутник Европейского космического агентства. Эта космическая обсерватория начала собирать данные в феврале 2010 года. Первые результаты были опубликованы в марте 2013 года. Угловой спектр мощности реликтового излучения по данным обсерватории «Планк» изображен на рис. 14.3{298}.

СМИ подняли шумиху вокруг того факта, что значения некоторых параметров отличались от ранее принятых, в частности, несколько увеличился предполагаемый возраст Вселенной. На самом деле статистически значимых различий в числах не было. Особенно прошлись журналисты по «противоречиям» между данными, полученными обсерваторией «Планк» и космическим телескопом «Хаббл», а также другими аппаратами, исследовавшими галактики, сформировавшиеся спустя долгое время после образования РИ, в момент последнего рассеяния. В частности, согласно модели, описанной ранее и согласующейся с данными, полученными спутником «Планк», масса галактических скоплений составляет порядка 80% от значения, полученного в результате их панорамного обзора{299}. Мы вскоре вернемся к этому.

Рис. 14.3. Угловой спектр мощности РИ, согласно данным обсерватории «Планк», опубликован в 2013 году. На этом графике можно увидеть полную гармоническую структуру, определенную с впечатляющей точностью. Обратите внимание на семь выпуклых участков этой кривой. В табл. 14.1 перечислены избранные параметры, полученные путем аппроксимации данных обсерватории «Планк» и космического аппарата WMAP, а также других наблюдений, которые нет нужды перечислять. Модель LCDM с шестью параметрами, описанная ранее, хорошо согласуется с данными, однако уже проводятся испытания расширенных моделей, содержащих большее количество переменных параметров. Изображение предоставлено: Planck Collaboration, Ade P. A. R. etal. Planck 2013 Results. I. Overview of Products and Scientific Results // arXiv preprint arXiv: 1303.5062 (2013)  Таблица 14.1. Избранные параметры, полученные путем аппроксимации данных обсерватории «Планк» и космического аппарата WMAP, а также других наблюдений

t0 … Возраст Вселенной, млрд. лет … 13,798 ± 0,037

H0 … Постоянная Хаббла, км/с/Мпк … 67,80 ± 0,77

Ωb … Относительная барионная плотность … 0,04816 ±0,00052

Ωc … Относительная плотность холодной темной материи … 0,2582 ± 0,0037

ΩL … Относительная плотность темной энергии … 0,692 ± 0,010

n … Спектральный индекс первичных флуктуации … 0,9608 ±0,0054

τ … Оптическая толща реионизации … 0,092 ± 0,013

Ωk …Плотность энергии пространственной кривизны, доверительная вероятность 95% … -0,0005 ± 0,0066

Σmν … Сумма масс нейтрино, эВ, доверительная вероятность 95% … <0,23

Neff … Эффективное число нейтрино, доверительная вероятность 95% … 3,30 ± 0,53

Yp … Массовая доля гелия, доверительная вероятность 95% … 0,267 ±0,039

ω … Параметр уравнения состояния темной энергии, доверительная вероятность 95% … -1,13 ±0,24

Значения параметров определены путем аппроксимации данных 2013 года, полученных обсерваторией «Планк», аппаратом WMAP, и в других экспериментах. Обратите внимание: это не более чем последние из имеющихся значений на момент настоящей публикации и они наверняка будут изменяться со временем по мере поступления новых данных

СМИ любят трубить о новых теориях, которые якобы опровергли расширение Вселенной, Большой взрыв или инфляцию. Но до тех пор, пока какой-то из этих теорий не удастся воспроизвести данные наблюдений, изображенные на рис. 10.4 и 14.3, так же точно и экономно, как это делается в рамках описанной здесь инфляционной модели Большого взрыва, не обращайте на них внимания. Кроме того, как мы вскоре увидим, благодаря последним наблюдениям инфляционная модель утвердилась почти настолько же прочно, как модель Большого взрыва.

С высокой степенью статистической значимости спектральный индекс первичных флуктуации теперь несколько меньше единицы, что подтверждает прогнозы инфляционной модели. Итак, инфляционная модель прошла еще одну фальсификационную проверку. Стоит отдельно отметить, что параметр уравнения состояния темной энергии все еще равен -1 (ω = -1), тем самым продолжая подтверждать гипотезу, согласно которой источником темной энергии является космологическая постоянная. Однако погрешность в 21% все же довольно велика, таким образом, еще остается вероятность существования некоторой формы квинтэссенции. В самом деле, если темная энергия представляет собой квинтэссенцию со значением ω, очень близким к -1, будет очень сложно отличить ее от космологической постоянной и точно определить ее природу.

Космологи-теоретики продолжают предлагать другие модели, одна из которых, а то и несколько, может оказаться лучше той, которую я здесь описал. Тем не менее на момент написания этих строк ни одна из них не приблизилась к тому, чтобы заменить модель LCDM{300}.

Рабочая группа «Планк» сравнила полученные данные с несколькими моделями функции потенциальной энергии, которая запустила процесс инфляции{301}. Хотя несколько моделей были исключены, остальные вполне имеют право на существование. В частности, не сдает позиций хаотическая модель Линде, которую я использовал в качестве примера, поскольку она наиболее проста и естественна. Она даже в какой-то мере укрепилась благодаря последним данным, касающимся первичных гравитационных волн, о которых мы вскоре поговорим.