Остается еще 30 % скрытой массы. Предполагается, что она может быть обусловлена такими гипотетическими частицами, как аксионы, нейтралино и другие суперсимметричные частицы, которые «с необходимостью» возникают в теории, но экспериментально пока не обнаружены. Иногда в этой связи указывают и на такие тоже гипотетические объекты, как «монополи», «струны», «мембраны», первичные черные дыры и даже горловины «кротовых нор», о которых мы упоминали в § 1.15. Поскольку вклад всех этих объектов точно не известен, рассматривается еще одна возможность — «зеркальное вещество».
Современная физика элементарных частиц принимает в качестве фундаментального постулата симметрию между правым и левым. Отсюда следует, что каждая частица нашего мира должна иметь свой зеркальный аналог. Из них могут быть образованы зеркальные атомы, молекулы, звезды, галактики и ... внеземные цивилизации. При этом частицы нашего мира могут взаимодействовать с частицами зеркального мира только гравитационно. По образному выражению одного из физиков, через комнату, в которой вы сейчас сидите, может проходить поезд из зеркальной материи, и никто этого не заметит, если только не будут поставлены тончайшие гравитационные эксперименты. Но поскольку зеркальное вещество подвержено тяготению, оно вносит свой вклад в скрытую массу нашего мира (как и наша материя вносит свой вклад в скрытую массу их мира). Если доля обычного вещества (барионная составляющая) в зеркальном мире такая же, как и у нас, зеркальная материя вносит 5% в скрытую массу нашего мира. Если барионная составляющая в зеркальном мире выше, то соответственно повышается и обусловленная зеркальным веществом доля скрытой массы нашего мира. По мнению Н. С. Кардашева, доля зеркального вещества может доходить до 25 %[131].
Читателя не должна смущать неопределенность приводимых здесь данных. Обсуждая проблему скрытой массы, мы не только подошли к передовому краю развития науки, но коснулись таких областей, где перед физикой встали фундаментальные проблемы, которые, возможно, существенно изменят наши представления о мире. Развитие здесь происходит очень быстро, и когда читатель будет пробегать глазами эти строки, многое, наверное, уже изменится.
Важно подчеркнуть, что хотя мы не знаем точно, какова плотность материи во Вселенной — больше критической или меньше, но она заведомо близка к критической. (Именно потому, что плотность близка к критической, трудно выбрать между двумя альтернативными вариантами.) Также надо иметь в виду, что описанный выше характер расширения Вселенной справедлив для модели с Λ-членом, равным нулю. Наличие «вакуумной материи» означает, что Λ-член не равен нулю. Если это так, то истинный характер расширения должен отличаться от описанного выше.
Каков бы ни был характер расширения Вселенной, в начальный момент (t = 0) масштабный фактор a(t) обращается в нуль (см. рис. 2.2.3). Для замкнутой Вселенной это означает, что ее объем в начальный момент был равен нулю, и значит, она начала расширяться из точки (!). Что касается бесконечной Вселенной, то она всегда остается бесконечной, но любая ее конечная область (в том числе наша Метагалактика) в начальный момент тоже имела нулевой объем. Плотность вещества в этот момент была бесконечной, а скорость расширения стремилась к скорости света. Это состояние бесконечной плотности получило название «сингулярного состояния». Таким образом, в начальный момент Вселенная расширяется из сингулярного состояния с предельно большой скоростью. Процесс «возникновения» Вселенной из сингулярности Деметр назвал Большим взрывом.
Какова природа сингулярного состояния, реализуется ли оно в действительности? Как близко можно подойти к этому состоянию, изучая историю Вселенной? Что означает «возникновение» Вселенной при t = 0? Что было до этого момента? Эти фундаментальные проблемы космологии не получили пока окончательного решения. Однако за пределами сингулярности теория хорошо согласуется с наблюдениями.
Возникает вопрос — как давно произошел Большой взрыв? Оказывается, можно определить этот момент, зная значение постоянной Хаббла[132]. Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, равной ее современному значению, то время расширения от момента t = 0 до современного момента t0 равно tн = 1/Н0 (Н0 — значение постоянной Хаббла в современную эпоху)[133]. Это время называется хаббловским временем. Фактически время расширения будет отличаться от хаббловского. Для модели с Λ-членом, равным нулю, в случае ρ = ρкр что, как мы видели, близко к действительности:
Если постоянную Хаббла Н0 выражать, как это принято в наблюдательной астрономии, в единицах (км/с)/Мпк, а время tн — в годах, то tн = 1012/Н0 . Точное значение Н0 не известно, но из наблюдений следует, что Н0 заведомо не превышает 100 (км/с)/Мпк, и не меньше, чем 50 (км/с)/ Мпк. Более точная оценка Н0: в пределах от 65 до 80 (км/с)/Мпк. Отсюда tн = 10 ÷ 20 млрд лет, или более точно 12 ÷ 15 млрд лет, а t0 = 8 ÷ 10 млрд лет. Здесь опять-таки следует иметь в виду, что и эти оценки справедливы при условии Λ = 0. В последнее время появляется все больше свидетельств того, что Λ-член не равен нулю и, более того, связанные с ним силы отталкивания приводят к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Если это так, то возраст Вселенной (время от момента t0 до современного момента) должен быть больше хаббловского.
Наличие сингулярности приводит к существованию горизонта Вселенной. Чем дальше от нас находится наблюдаемый объект, тем ближе к началу расширения Вселенной относится момент времени, когда был испущен свет, достигающий сейчас наблюдателя. Точки в пространстве, от которых до нас доходит свет, испущенный в момент начала расширения (t = 0), и образуют горизонт Вселенной. Горизонт охватывает лишь часть Вселенной, а в случае открытой Вселенной за его пределами находится бесконечное пространство. И тем не менее, ни один объект за горизонтом не может наблюдаться даже с помощью самого совершенного телескопа, ибо за все время существования Вселенной свет, испущенный любым из этих объектов, еще не успел достичь наблюдателя. Эти объекты станут доступными для наблюдения в будущем, когда свет от них дойдет до наблюдателя. Следовательно, горизонт со временем расширяется. В современную эпоху радиус горизонта Rгор = с/Н0 ; в зависимости от значения постоянной Хаббла он составляет 10 ÷ 20 млрд св. лет. На горизонте красное смещение становится бесконечным, а скорость расширения равна скорости света.
Сколь близко астрономы подошли к горизонту Вселенной? Если в начале XX века область Метагалактики, для которой были определены расстояния, составляла менее 1 % от радиуса горизонта, то сейчас она превысила 50 %. Расстояние до далеких объектов (с z
