Тайны открытий XX века - Александр Волков

Вспышка реликтового излучения высветила множество неоднородностей, возникших к тому времени в юной Вселенной. Это и были зародыши будущих галактик и галактических скоплений. Свет рассеивался на этих сгустках, терял свою энергию и слегка остывал. Расчеты показывали, что карта распределения реликтового излучения должна быть испещрена пятнышками — флуктуациями температуры (от лат. fluctuatio, «колебание»), которые выдавали картину распределения вещества в тогдашней Вселенной. Исследование этого излучения могло приоткрыть нам далекое прошлое мира, узнать о том, как шло становление Вселенной.

Однако чтобы увидеть мир «на заре туманной юности», требовалась особенно чувствительная аппаратура. В 1989 году на орбиту был выведен инфракрасный телескоп СОВЕ (Cosmic Background Explorer), благодаря чему через три года была составлена карта реликтового излучения. На ней явственно проступали небольшие, порядка 0,001 процента, различия температуры реликтового излучения, приходящего с разных направлений. Взглянув на открывшийся узор, руководитель проекта Джордж Смут сказал, что видит «морщины времени на лице Бога». Фраза стала крылатой, а эксперименты продолжились. Уж слишком много вопросов возникло у теоретиков.

Эпоха «космической инфляции»

С начала 1980-х годов в теоретической космологии бурные споры вызывала гипотеза космической инфляции, которую предложил американский физик Алан Гут. Стремясь объяснить, как из «Ничто» произошло «Нечто», он разработал новую теорию происхождения Вселенной. По его гипотезе, за короткое время Вселенная стремительно — астрофизики говорят «экспоненциально» — расширилась. Скорость ее расширения превышала скорость света. Гут назвал этот феномен «космической инфляцией» (от лат. inflatio, «вздутие»). Данный процесс теоретики любят сравнивать с тем, как растягивается воздушный шарик, когда его пробуют надуть. Вот так же распирало тогда мироздание. На «инфляционной стадии» Вселенная расширилась в 10100 000 000 раз (десять в стомиллионной степени раз) и стала однородной и плоской.

В этом молниеносно возникшем «пузыре» скопилось неимоверное количество энергии. Когда же процесс «инфляции» прекратился, накопленная энергия высвободилась. По закону эквивалентности массы и энергии (вспомним знаменитую формулу Эйнштейна: E = mcc) последняя превратилась в вещество. Превращение произошло по законам квантовой физики, которые предполагают некоторую неопределенность. Это и привело к флуктуациям энергии — и значит, массы — в различных уголках Вселенной. Там, где плотность оказывалась выше средней, под действием гравитации скапливалось все больше вещества. Возникали скопления галактик.

Стремительное расширение Вселенной обусловило ее топологию. Очевидно, оно протекало в трех

направлениях. Они и стали «теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную, — пишет на страницах журнала «Scientific American» физик Макс Тегмарк из Пенсильванского университета. — Шесть остальных сейчас нельзя обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, либо потому, что материя сосредоточена на трехмерной поверхности девятимерного пространства».

Немалый вклад в разработку «теории инфляции» внесли также советские ученые Алексей Старобинский, Андрей Линде и их зарубежные коллеги — Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт. Данная теория точно объясняет результаты многих наблюдений.

«Еще в 1970-х годах космология — учение о Вселенной в целом — была наукой, в которой предположения преобладали над фактами, — писал американский астроном Майкл Стросс. — Сейчас космология обрела прочный теоретический фундамент, опирающийся на обширные данные систематических наблюдений».

Данные зонда СОВЕ блестяще подтвердили гипотезу Гута. Температура реликтового излучения колебалась, и эти колебания отражали неоднородность энергетического поля. Наличие сгустков вещества было предсказано. Вот только карта СОВЕ оказалась очень мутной, размытой. Мы словно пытались читать строки книги, отнесенной от нас на несколько метров. Приблизиться к этой «книге» стало важнейшей задачей космологии в девяностые годы XX века.

Вселенная оказалась плоской

А заглянуть, наблюдая звездное небо над головой, можно не только в прошлое, но и в будущее. До недавних пор считалось, что судьба мироздания зависит лишь от массы вещества во Вселенной. Если масса достаточна велика, то Вселенная постепенно замедлит свое расширение. Верх возьмут гравитационные силы. Разлетавшиеся прежде галактики снова начнут сближаться и постепенно сольются. Во время этого «термозвездного синтеза» наши небеса разогреются так сильно, что вся твердь расплавится, и произойдет грандиозный взрыв.

Сторонники другой теории — «открытой Вселенной» — считали, что наш мир будет неудержимо расширяться. «Почему мы обязаны полагать, что Вселенную ждет вечный покой? Нет, жизненные и материальные процессы могут длиться вечно», — писал американский астроном Фриман Дайсон в своей книге «Время без конца», вышедшей в 1979 году. На ее страницах он рисовал картину бесконечного Космоса, переживающего одну вечность за другой.

Астрономические наблюдения девяностых годов убеждали в правоте Дайсона. Похоже, галактики столь стремительно удалялись друг от друга, что никакая сила гравитации не заставит их повернуть назад. Материя никогда не сожмется воедино. Для этого ее масса слишком мала. Наша Вселенная возникла миллиарды лет назад в пламени Большого Взрыва и будет расширяться вечно. Она напоминает огромный шар, повисший посреди Пустоты. Шар этот стремительно раздувается. Скорость, с которой он увеличивается в объеме, в последние миллиарды лет все возрастает.

Однако написанное требовало тут же примечаний. Точный возраст Вселенной был по-прежнему неясен. Сколько ей — десять, двенадцать, пятнадцать миллиардов лет? В середине девяностых годов астрономы пришли в замешательство, когда выяснилось, что самые старые звезды во Вселенной родились раньше, чем она, если предполагать, что ей — 12 миллиардов лет.

А из чего складывается масса мироздания? Видимой массы было явно недостаточно, чтобы удержать в равновесии Вселенную. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи. Космос изобиловал материей неизвестного происхождения.

Вопросы, вопросы, вопросы… Ученые отвечали на них, строя все новые модели развития Вселенной и выдвигая все новые гипотезы. Сколько могла продолжаться эта умозрительная игра? Можно ли теории космологов поверить практикой? Можно, но для этого надо было вглядеться вглубь Космоса так пристально, как не делалось еще никогда. Карта СОВЕ была слишком невнятной, чтобы толковать по ней прошлое и будущее Вселенной. И вот в первый год нового тысячелетия, 30 июня 2001 года, в Космос отправился новый зонд. Он назывался MAP (Microwave Anisotropy Probe) — «Микроволновый анизотропный зонд».

Оснащенный двумя телескопами зонд был доставлен на орбиту, находившуюся в полутора миллионах километров от Земли. На таком расстоянии на его работе не сказывались ни магнитное поле Земли, ни микроволновое излучение — фактор человеческой цивилизации. Разрешающая способность зонда MAP в двадцать с лишним раз превышала тот же показатель СОВЕ. Зонд обследовал буквально всю наблюдаемую часть Вселенной, скрупулезно измерил реликтовое излучение и нанес сведения о нем на карту.

В феврале 2003 года были обнародованы результаты работы зонда MAP. К тому времени он был переименован в зонд Уилкинсона в честь одного из авторов проекта, не дожившего до этого триумфа (профессор Принстонского университета Дэвид Уилкинсон был одним из пионеров в исследовании реликтового излучения).

Вчерашние гипотезы превратились в факты. Теперь мы знаем:

Возраст Вселенной составляет 13,7 (± 0,2) миллиарда лет (она почти в три раза старше Земли).

Первые звезды появились намного раньше, чем предполагалось: всего через 200 миллионов лет после Большого Взрыва.

Теория «космической инфляции» подтвердилась, хотя механизм этого процесса до сих пор не вполне ясен.

Скорость расширения Вселенной — она носит название «постоянной Хаббла» — составляет 71 километр в секунду на каждый мегапарсек расстояния (1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Этот показатель всего на один процент отличается отданных, полученных после десяти лет наблюдений с помощью Космического телескопа имени Хаббла. Совпадение тем более поразительно, что оба результата получены путем наблюдений за совершенно разными физическими процессами.