Когда возраст Вселенной составлял миллион лет, она все еще достаточно равномерно расширялась. Как же сформировались структуры и возникла та космическая картина, которую мы сейчас наблюдаем? В наши дни мы можем использовать компьютеры, чтобы изучать «виртуальные» вселенные. В начале симуляции материя расширяется, но не совсем одинаково, потому что неоднородности, отвечающие значению числа Q, заложены как часть первоначальных условий.

Основным веществом, создающим тяготение, является «темная материя» – частицы, оставшиеся от начальной эпохи развития Вселенной, которые едва ли когда-либо сталкивались друг с другом, но испытывают воздействие тяготения. Если вы станете брать среднее значение из все более и более крупных объемов, то Вселенная на ранней стадии будет казаться все более гладкой. Это означает, что, если бы тяготение было единственной реальной силой, первыми сформировались детали мелкого масштаба. Космические структуры формируются иерархически. Первыми сгустились тучи темной материи на субгалактическом уровне. Они развились в объекты, по массе равные галактикам, которые позже сформировали скопления. Тяготению потребовалось больше времени, чтобы развернуть вспять расширение в более крупных масштабах.

Но это иерархическое объединение в группы само по себе ведет к темной и стерильной вселенной. «Закваска» для вселенной – это атомы. Их общая масса намного меньше массы темной материи, они пассивно движутся по Вселенной, создавая разреженный газ, который испытывает на себе притяжение темной материи. Но все, что мы сейчас наблюдаем, зависит от этого газа.

Он ведет себя более сложно, чем темная материя, потому что тяготение – это не единственная сила, которая на него действует. Газ испытывает на себе притяжение, но одновременно он испытывает и давление. Это давление не позволяет притяжению затолкать газ в очень мелкие сгустки темной материи. Первые сформировавшиеся сгущения газа – те самые, которые стали «первым светом», положившим конец космической темной эпохе, – были, как следствие, в миллион раз тяжелее звезд. Компьютерные программы, используемые для того, чтобы проследить движение газа, похожи на те, которыми пользуются авиационные инженеры, чтобы изучать потоки воздуха, возникающие вокруг крыльев и проходящие сквозь турбины. Такие расчеты считаются достаточно надежными, чтобы заменить проверки в аэродинамической трубе, но тем не менее вычислить, что же происходит внутри этих сжимающихся облаков, гораздо труднее, и никому пока не удалось создать модель, которая начиналось бы с одного облака, а заканчивалась популяцией звезд. Облако, внутри которого содержится газ, равный по массе миллионам Солнц, может распасться на миллион отдельных звезд, таких, как Солнце, или на меньшее количество объектов, бо́льших по массе. Облако даже может остаться единым целым и сжаться до одной суперзвезды или квазара.

Эти первые объекты сформировались, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет – несколько процентов от ее сегодняшнего возраста. К тому времени, как Вселенная достигла 1 млрд лет, появились структуры размером с галактику, у каждой из них был свой набор звезд, и удерживались они вместе не только собственным тяготением, но и с помощью темной материи, которая сформировала «рои» в десять раз больше и тяжелее. Газ продолжает падать внутрь этих объектов и остывать. Если они вращаются, то газ превращается в диск и сгущается в звезды, тем самым начиная процесс переработки, который синтезирует и распространяет все элементы периодической системы Менделеева.

Компьютерные модели, которые показывают этот процесс хотя бы в грубом приближении, можно прокручивать, как фильмы, ускоряя расширение Вселенной и развитие галактик примерно в 10¹⁶ раз по сравнению с реальными событиями! На рисунке 8.1 показаны шесть кадров из такой симуляции.

Как и отдельные галактики, скопления и сверхскопления появились в результате тяготения. Недавно сформированные галактики не распространялись совершенно однородно – в некоторых местах их было немного больше, чем в других. С продолжением расширения районы, где находились излишки массы, испытывали дополнительное замедление, поэтому галактики в этих районах в конце концов оказались расположены более плотно, чем в среднем.

Как мы можем проверить, отражает ли виртуальная вселенная события, происшедшие в нашей реальной Вселенной? Модель должна имитировать наблюдаемые характеристики сегодняшних галактик – их типичные размеры и формы, пропорции спиральных галактик и пропорции эллиптических, а также то, как они объединяются в скопления. Но требуется сделать даже больше: модель должна соответствовать тем «моментальным снимкам», которые показывают нам, как выглядели галактики в прошлом и как они объединялись в скопления.

Как уже говорилось раньше, сейчас до нас доходит свет от самых отдаленных галактик, которые телескопы нового поколения могут обнаружить и проанализировать. Этот свет покинул галактики, когда те только-только были сформированы, и они выглядят не так, как современные галактики. Ничто не напоминает устойчиво вращающиеся диски, и только небольшая часть составляющего их газа уже превратилась в звезды. Большинство таких галактик невелики по размеру: потребуются дальнейшие объединения и «каннибализм» со стороны доминирующих галактик, чтобы получились крупные образования, которые мы видим сегодня.

В качестве побочного продукта образования ранних звезд происходит еще нечто интересное. Некоторая часть газа попадает в центр скопления частиц темной материи, притягивается собственным тяготением и создает «суперзвезду», которая более чем в миллион раз тяжелее обычной. Столь большой объект светит так ярко, что его ядерного топлива хватает ненадолго. Жизнь этой звезды кончается не взрывом, а сжатием, в результате которого формируется черная дыра. Таким образом, когда начинается формирование галактик, пространство «протыкается» такими дырами. Газ продолжает в них течь, высвобождая энергию более мощную, чем энергия света всей остальной галактики.

Такие объекты называют «квазарами» или «активными ядрами галактик», и они интересны по двум причинам. Во-первых, они светят ярче, чем сами галактики, и таким образом выполняют роль прожекторов, освещающих отдаленные части Вселенной. Спектр светящегося облака газа квазара дает нам убедительные данные о количестве дейтерия, что является, как мы уже видели, важной проверкой теории Большого взрыва. Во-вторых, квазары предоставляют нам существенные доказательства ОТО Эйнштейна. Энергия, которую они излучают, исходит от материи, которая вращается очень близко к черной дыре, а возможно, и от самой вращающейся дыры. Нет никакого шанса получить подлинное изображение потока, – это будет, пожалуй, даже более трудной задачей, чем получить снимок землеподобной планеты, обращающейся вокруг другой звезды, – но исходящее от него излучение имеет красное смещение из-за сильной гравитации (и оно, конечно же, добавляется к обычному космологическому красному смещению). Также будут присутствовать большие доплеровские смещения, возникающие из-за высокой скорости, с которой газ вращается вокруг дыры (в красную часть спектра на той стороне, которая удаляется; в синюю часть – для газа, который приближается с другой стороны). Благодаря прогнозируемому движению и гравитационным полям мы можем проверить, имеют ли черные дыры на самом деле те самые свойства, которые предсказывает теория Эйнштейна.