стали концентрироваться сгустки так называемой барионной материи[54], из которых сформировались сгущения газа — протогалактики. А они со временем превратились в скопления звезд — галактики. Именно флуктуации темной материи стали зародышами будущих протогалактик.
Когда в теорию формирования галактик с учетом расширения Вселенной добавили темную материю, были заново выполнены расчеты — как должны выглядеть флуктуации реликтового излучения под воздействием флуктуаций плотности (а значит, и температуры). Результат превзошел все ожидания. Точки, полученные в результате наблюдений реликтового излучения спутником «Планк» в 2013 году, с великолепной точностью легли на график, ранее построенный на основе теоретических расчетов. Это означало, что теория верна! И темная материя включена в теорию как необходимый элемент.
Итак, теперь картина выглядела так. Вселенная в начальном состоянии была наполнена невероятно интенсивным электромагнитным излучением, а также элементарными частицами, включая частицы темной материи. Случайные флуктуации плотности темной материи под воздействием гравитационной неустойчивости породили сгущения массы. Позже в равномерной раскаленной смеси барионов и электронов температура упала, барионы и электроны сформировали нейтральные атомы, и частицы света (фотоны) перестали взаимодействовать с ними — среда стала прозрачной для распространения света. Сгущения темной материи притянули к себе барионы. В ее огромных сгустках под воздействием их гравитации стали накапливаться сгустки горячего вещества, свет которого мы и наблюдаем как флуктуации реликтового излучения.
Замечательно то, что численные расчеты на суперкомпьютерах показали, что же должно было происходить дальше. Расчеты воспроизвели формирование гигантской ячеистой структуры Вселенной, где длинные нити и стенки ячеек образованы скоплениями галактик, а внутренняя часть ячеек — это огромные пустоты размером до трехсот миллионов световых лет и больше (войды). Но именно такую картину мы и видим из наших наблюдений. Современная физика и расчеты на компьютерах позволили воспроизвести, как развивалась Вселенная от начала до сегодняшнего дня.
Что касается самих частиц темной материи, то мало кто сомневается в том, что их открытие будет осуществлено в ближайшие годы (работающая теория требует, чтобы они существовали). Однако тут не все так просто. Специальные эксперименты, проводимые на знаменитом Большом адронном коллайдере, должны были привести к открытию главного гипотетического претендента в вимпы — тяжелой частицы, для которой было предложено название нейтралино.Однако этого не произошло. Наоборот, речь идет, скорее, не об открытии, а о «закрытии» нейтралино: если бы такие частицы существовали, мы бы их уже «почувствовали». Это был серьезный удар по гипотезе вимпов, хотя надежда на их открытие пока еще не потеряна окончательно.
Большой адронный коллайдер — сложнейшая, крупнейшая в мире экспериментальная установка, созданная усилиями тысяч ученых более чем из ста стран мира. Протяженность кольца ускорителя превышает 26,5 километра.
Расположен в подземном тоннеле в Швейцарии.
Но чем тогда может оказаться темная материя? Что это, если не вимпы? Теоретики активно рассматривают другие варианты. Например, на роль темной материи могут подходить неизвестные пока легкие частицы с другими свойствами — например, так называемые стерильные нейтрино[55]. На роль частиц темной материи претендуют также аксионы[56]. Не исключено, что придется придумать что-то еще и проверять гипотезу до тех пор, пока носители темной материи не будут открыты. В наше время сами теоретики подсказывают экспериментаторам, какие эксперименты нужно провести, чтобы проверить гипотезу и открыть (либо «закрыть») тот или иной предполагаемый тип частиц. Совершенствование приборов и методики экспериментов продолжается, и значит, вопрос открытия частиц темной материи — вопрос времени.
Однако может ли оказаться, что скрытая масса — это не вимпы, не аксионы и не нейтрино, а, например, первичные черные дыры, возникшие еще на ранних стадиях развития Вселенной, вскоре после Большого взрыва?
Строго говоря, и это возможно. Тем интереснее: скоро мы узнаем, что такое темная материя. В том, что она существует (чем бы она ни оказалась), уже никто не сомневается. Во-первых, на это указывают особенности вращения галактик. Во-вторых, современная теория, подтверждаемая наблюдениями, без нее уже не работает.
11. Вселенная, подверженная инфляции
…Мы мир хотим познать, понять, обшарить,
Но жаль, нам не успеть его обмерить:
Ведь космос раздувается, как шарик…
Как бы не лопнул? — хочется поверить...
Сергей Даллиев
Выше уже не раз говорилось (но не будет лишним повторить), что теория Большого взрыва, составившая основу современной научной картины мира, строилась на фактах наблюдений. Одним из неоспоримых фактов является разлет галактик. Но если это факт, значит, в прошлом галактики были ближе друг к другу, и 13,8 миллиарда лет тому назад вся материя Вселенной была собрана в одном месте. Это была раскаленная и почти однородная материя — об этом говорит существование реликтового излучения, которое иначе объяснить не получается. Гравитационная неустойчивость в древности привела к появлению неоднородностей плотности, порожденных сгущениями темной материи, а затем и привычного нам барионного вещества. Эти неоднородности видны как флуктуации реликтового излучения, при этом они точно такие, какие предсказывает теория.
Казалось бы, все в порядке, и мы, наконец, построили адекватную картину мира, узнали, как же устроена Вселенная. Она (Вселенная) оказалась нестационарной, меняющейся со временем, и многим (включая Эйнштейна) пришлось признать, что так оно и есть. Для кого-то осознание новых реалий было чрезвычайно болезненным, у кого-то новая картина мира вызвала восторг. Я знаю людей, которые категорически не верят в теорию Большого взрыва, утверждая, что этого не может быть, что это нелепые выдумки ученых и на самом деле все обстоит совсем не так.
Однако даже сторонники теории Большого взрыва не могли не согласиться с тем, что у нее есть достаточно серьезные проблемы. Первая получила название проблемы горизонта. Выше уже говорилось, что реликтовое излучение оказалось очень однородным: флуктуации уровня излучения, породившие впоследствии протогалактики, не превышают сотых долей процента от среднего уровня! Почти одинаковое излучение приходит отовсюду, со всех сторон. Это значит, что если мы наведем радиотелескоп на какую-то область А в небе, а затем направим его в противоположном направлении (на область В), мы получим практически одинаковый (с точностью до величины) сигнал.
Но излучение от точки А шло к нам более 13 миллиардов лет, и мы только сейчас его приняли. Как сегодня выглядит та область, которая испустила это излучение, мы уже не видим, поскольку к сегодняшнему дню она удалилась от нас на 45 миллиардов световых лет (поскольку Вселенная не прекращает расширяться). Это расстояние называется радиусом горизонта. Это предельное расстояние, на которое мы можем заглянуть, потому что
