2.7. Портрет Вселенной

В предыдущих разделах я остановился на наиболее общих наблюдательных основах космологии, к которым можно отнести расширение Вселенной, реликтовое излучение, темную материю, ускоренное расширение. Это, конечно, далеко не все, что можно было обсудить. Например, я почти не писал о первичном нуклеосинтезе, предсказания которого подтверждают картину Большого взрыва, и о крупномасштабной структуре Вселенной, свойства которой также согласуются с этой картиной. К фундаменту космологии можно отнести и основную тему этой книги – факт, что ночное небо является темным, но к этому я снова вернусь в последней главе.

Попробуем восстановить основные черты эволюции Вселенной и ее характеристики. При этом под Вселенной, как и везде в этой книге, я буду подразумевать конкретный объект – расширяющийся пузырек пространства-времени, возникший около 14 млрд лет назад. Слово Вселенная я всегда пишу с большой буквы, имея в виду что она, возможно, не является единственной, и что существует бесчисленное множество других вселенных, подобно тому, как за пределами нашей Галактики существуют миллиарды других галактик (см. следующий параграф).

Итак, соберем воедино кусочки мозаики и представим себе портрет окружающей нас Вселенной. Сначала о том, что видно, то есть о распределении галактик. На относительно небольших масштабах их распределение сильно неоднородно – яркие галактики окружены свитами из карликовых галактик, галактики часто образуют пары и группы, существуют гигантские конгломераты галактик – скопления и, наконец, на масштабах десятков мегапарсеков наблюдаются сверхскопления, волокна (филаменты) и пустоты (войды) (рис. 41). Что же дальше? Есть ли во Вселенной более крупные образования? Нет, как показывают наблюдения, по мере роста масштаба усреднения распределение галактик становится все более и более однородным. (Напомню, что сильнейшим аргументом в пользу глобальной однородности Вселенной является также удивительная изотропия реликтового излучения, характеризующего распределение плотности во Вселенной при z ~1000.) Об этом же свидетельствуют и теоретические работы, посвященные моделированию образования структур во Вселенной.

На рис. 42 в качестве примера показаны результаты численных расчетов формирования крупномасштабной структуры Вселенной в рамках стандартной космологической модели, учитывающей вклад Λ-члена и скрытой массы (так называемая Λ-CDM модель). Эти, и другие подобные им, расчеты стартуют с исходно почти однородного распределения скрытой массы, прослеживают рост индивидуальных сгущений темной материи – темных гало, затем рассматривается, как эти гало нагребают газ из окружающего пространства, в них стартует процесс рождения звезд и, наконец, «вылупляется» звездная галактика. Отдельные этапы этого процесса поняты, конечно, еще плохо, но в целом в этом сценарии удается хорошо воспроизвести как особенности пространственного распределения (наличие структур на небольших масштабах, крупномасштабную однородность), так и удовлетворительно описать свойства самих галактик. Естественно, сравнение наблюдений (рис. 41) и расчетов (рис. 42) осуществляется не просто разглядыванием картинок (они, действительно, похожи), а детальным математическим анализом.

Основные характеристики Вселенной суммированы в следующей таблице. Таблица 1. Основные характеристики Вселенной

Таблица основана на результатах семилетней работы космической обсерватории WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), наблюдавшей реликтовое излучение, в сочетании с данными по барионным акустическим флуктуациям (см. предыдущий раздел) и по космологическим сверхновым. Насколько точны эти числа? Формальная точность очень высока. Например, значение постоянной Хаббла в современную эпоху оценивается с точностью около ± 1 км/с/Мпк, остальные характеристики также известны с погрешностью в несколько процентов. Лет 20–30 назад это показалось бы просто фантастикой – например, значение H 0 у разных авторов в те годы варьировалось от 50 до 100 км/с/Мпк, да и оценки других параметров различались в разы. Один из наиболее интересных параметров – это, конечно, полная плотность Ω, поскольку она определяет геометрию Вселенной. Как видно из таблицы, плотность вещества Ωm = Ωb + Ωdm равна 0.28, плотность темной энергии составляет 0.72 и Ω равна 1.00 (вкладом остальных ингредиентов Вселенной, например, излучения, можно пренебречь). Точность определения Ω все время растет и по современным оценкам отличие Ω от единицы не превышает 1–2 процента, так что нашу Вселенную с большой точностью можно считать плоской (кривизна пространства близка к нулю).

На рис. 43 интегральный состав Вселенной для наглядности изображен в виде круговой диаграммы. Этот рисунок в сочетании с таблицей и с рис. 40 позволяет сделать несколько общих заключений. Во-первых, как уже не раз говорилось, основной вклад в Ω дает не обычное вещество, изучаемое учеными уже много столетий, и даже не скрытая масса, известная уже несколько десятилетий, а нечто, о чем сейчас не известно почти ничего – темная энергия. Обычное вещество, гравитирующее согласно закону всемирного тяготения, дает лишь относительно небольшой вклад в полную плотность, а доминирующая составляющая Вселенной обладает антитяготением. Во-вторых, мы живем в особое время эволюции Вселенной. Доминирование темной энергии началось по космическим меркам относительно недавно (рис. 40), и с этого времени замедляющееся расширение Вселенной сменяется расширением с ускорением. В-третьих, будущее Вселенной будет определяться темной энергией. Ее усиливающееся влияние начнет постепенно, в течение миллиардов лет, подавлять формирование структур (скоплений галактик, групп и пр.) – сначала на больших, а затем и на все меньших и меньших масштабах. Усиливающийся разгон материи темной энергией приведет к тому, что через многие десятки миллиардов лет Вселенная будет выглядеть очень скучной – в ней на огромных расстояниях друг от друга будут разбросаны стремительно удаляющиеся друг от друга темные галактики, состоящие из потухших, проэволюционировавших звезд. Вынесенная в эпиграф фраза появилась в самом конце знаменитой книги Стивена Вайнберга «Первые три минуты». Это замечание неоднозначно и существует множество его толкований [30] . Воспользовавшись многозначностью этой фразы, я вложу в нее свой смысл: чем более подробно и детально мы изучаем Вселенную, тем менее понятно, почему она именно такая, а не иная. Но об этом в следующем параграфе.