Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Как мы уже видели, судьбы темной и «нормальной» материй были сплетены с самого начала, и вскоре после образования Вселенной и темная материя, какой бы она ни была, и «нормальная» были равномерно распределены в горячем первичном бульоне. Мы не можем непосредственно наблюдать эту эпоху, потому что фотоны, движущиеся в горячей плазме, были успешно захвачены, будучи постоянно рассеянными заряженными барионными частицами. Это рассеивание означало, что у них не было возможности свободно перемещаться по Вселенной так же, как это получается у света далеких галактик, который относительно беспрепятственно двигается через встречающуюся на его пути материю. Но как только Вселенная расширилась и охладилась достаточно, чтобы электроны объединились с протонами, сформировав таким образом первые атомы и нейтрализовав Вселенную, это рассеивание почти прекратилось. Тогда фотоны – излучение самого Большого взрыва – были выпущены, как лошади на скачках, практически беспрепятственно струясь к нам через постоянно расширяющуюся Вселенную, их путешествие заняло почти 14 млрд лет. Момент высвобождения этих фотонов называется эпохой рекомбинации: в это время фотоны в последний раз рассеялись ионизированной материей на поверхности последнего рассеивания. Это самая отдаленная (или, если хотите, самая ранняя) точка, которую мы можем увидеть во Вселенной. Эта поверхность, а точнее, ее излучение, пронизывающее Вселенную, называется космическим микроволновым фоном, или реликтовым излучением.

Оно представляет собой почти равномерный световой дождь, который с расширением Вселенной был смещен в красную область на микроволновые волны и, как кажется, излучается со всех сторон неба (хотя сигнал от реликтового излучения заглушается микроволновым излучением самого Млечного Пути). Спектр реликтового излучения – почти идеальное черное тело, представляющее тепловое испускание излучения с характерным спектральным распределением, сходным с формой инфракрасного излучения пыли галактик, с которым мы сталкивались ранее. Пик спектра соответствует средней температуре 2,73 градуса выше абсолютного нуля, и это и есть температура космоса – остаточное тепло Большого взрыва.

Реликтовое излучение, нанесенное на карту всего неба такими спутниками, как «Космический микроволновый фоновый обозреватель» (англ. COsmic Background Explorer, COBE), микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона и, совсем недавно, космической обсерваторией «Планк» спутником Европейского космического агентства – неравномерно. Существуют колебания температуры – они хоть и незначительны (вариации составляют порядка одной части на 100 000), но имеют фундаментальное значение для истории эволюции галактик. Эти колебания температуры представляют собой колебания плотности, присутствовавшие в горячем бульоне из частиц всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это те булыжники, из которых построена Вселенная. Флуктуации в реликтовом излучении являются признаком того, что барионы начали оседать в областях высокой плотности, которые росли из-за более ранних квантовых возмущений плотности вещества, когда Вселенная быстро расширялась из одной точки. Детали распределения галактик, которые мы видим сегодня, были сформированы в то время, когда барионы вливались в эти гравитационные борозды, а затем сами усиливали их. Фактически это своего рода «фотография» того времени – снимок Вселенной, когда галактики только начали формироваться. Наши возможности отображения реликтового излучения в мельчайших деталях – одно из главных достижений наблюдательной космологии.

Отсутствующие барионы в скелете Вселенной

Я воспринимаю темную материю как скелет, покрытый видимой материей – газом и галактиками. Крупнейшие исследования показывают, что галактики распределены по филаментам – скоплениям и группам, связанным между собой в паутину вроде сети крупномасштабных структур, подобно рисунку, который на стакане оставляет пенистое пиво. В нынешней модели галактики выдают эту невидимую сеть темной материи, так же как свет уличных и домашних огней показывает местоположение дорог, городов и селений на Земле, если смотреть на нее ночью из космоса.

Гравитационное влияние темной материи помогло сформировать галактики, превратив барионы в упорядоченные структуры (такие, например, как Млечный Путь). Но есть еще одна интересная сторона в эволюции барионов. Мы говорили об этом на протяжении всей книги, так что вы уже знаете, что «нормальная» материя составляет лишь часть общей массы материальной Вселенной, а остальная масса – это темная. Менее очевидная проблема заключается в том, что только небольшая часть тех барионов, которые представляют такую ничтожную долю от общей массы, вообще находится в галактиках. Из исследований реликтового излучения (статистическое распределение колебаний температуры его фона содержит большое количество данных о свойствах Вселенной непосредственно перед тем, как галактики были сформированы, в том числе о барионной фракции материи во Вселенной), а также измерений обилия первичных элементов, таких как гелий, дейтерий и литий, мы знаем, сколько барионов должно быть во Вселенной в целом. Эти самые легкие элементы смогли сформироваться вскоре после Большого взрыва в процессе, называемом нуклеосинтезом, и их содержание контролируется общей плотностью барионов относительно всей материи.

Мы можем сложить всю массу в галактиках звездного света (видимого и ближнего инфракрасного света), газа (радио-и миллиметровой волн) и пыли (инфракрасного света). Мы можем даже сложить массу барионов за пределами галактик за счет рентгеновского свечения горячей атмосферы в скоплениях галактик и в линиях поглощения элементов во внегалактическом пространстве, которые оказываются подсвеченными яркими квазарами. Но когда мы сложим все это, то обнаружим, что насчитали меньше барионов, чем ожидалось. Остальные пропали без вести, и эта загадка стала известна как проблема пропавших барионов – это показывает, что мы не полностью понимаем принципы формирования галактик.

Глядя в далекую Вселенную, мы можем найти данные по некоторым из барионов, которые сейчас числятся пропавшими. Кроме того, используя спектры квазаров, мы можем искать отпечатки скоплений нейтрального газообразного водорода в галактиках и вокруг них, а также плавающие в межгалактическом пространстве. Одно облако нейтрального газа может поглотить часть света квазара, оставляя линию поглощения на определенной длине волны, соответствующей красному смещению этого облака. Свет от более удаленных квазаров должен проходить через большее количество межгалактического пространства, перехватывая множество облаков на этом пути и вводя множество линий поглощения в спектр квазара. В спектрах квазара может накапливаться так много линий поглощения (все на разных длинах волн), что сеть газовых облаков называется лесом Лайман-альфа. Лайман-альфа– обозначение линии поглощения рассматриваемого водорода; это принципиальный переход атома водорода в серии «Лайман», относящийся к электронам на самом низком энергетическом уровне системы. Измеряя обилие этих облаков нейтрального водорода и их масс, определяемые силой поглощения, а также массу звезд, образовавшихся в галактиках одновременно, мы можем вычислить общее количество барионов в ранней Вселенной. Взглянув на более ранние времена, мы сможем объяснить большее количество барионов, составляющих теоретический итог, чем можем сегодня. Они были потеряны как раз где-то между «тогда» и «сейчас». Пока наша самая лучшая версия состоит в том, что со временем большинство барионов никогда не превращались в галактики или, по крайней мере, не образовывали холодный газ или звезды.

Проблема