Глава 9

Голос небес

Когда в 1980 году Алан Гут предложил теорию инфляции, это была не более чем спекулятивная гипотеза. Но к концу 1990-х она уже была близка к тому, чтобы стать краеугольным камнем современной космологии. Появившиеся новые наблюдения подтвердили предсказания теории, причем весьма неожиданным способом.

Возвращение космологической постоянной

Самое главное предсказание инфляции состоит в том, что наблюдаемая область Вселенной должна быть плоской, то есть иметь евклидову геометрию. Вселенная в целом вполне может быть сферической или иметь более сложную форму, но наш горизонт охватывает лишь крошечную ее часть, и поэтому мы не можем отличить ее геометрию от плоской. Как уже говорилось в главе 4, это утверждение эквивалентно тому, что средняя плотность Вселенной должна быть с очень высокой точностью равна критической.

В период появления теории инфляции астрономы относились к ее предсказаниям весьма скептически. Обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, обеспечивает лишь несколько процентов критической плотности. Существует также намного большее количество так называемой темной материи, состоящей из каких-то неизвестных частиц. В соответствии с ее названием темную материю нельзя наблюдать непосредственно, но ее присутствие проявляется гравитационным притяжением, действующим на видимые объекты. Наблюдения за движением звезд и галактик говорят о том, что масса темной материи примерно в десять раз больше массы обычной. И все-таки, даже если сложить оба этих вида массы, во Вселенной набирается лишь около 30 процентов критической плотности, до нужного значения не хватает еще 70 процентов.

Таковы были представления до 1998 года, когда две независимые исследовательские группы объявили о поразительном открытии. Они измерили яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и использовали эти данные для уточнения истории космологического расширения. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что вместо замедления под действием гравитации скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Простейшая возможность состоит в том, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. Как мы знаем, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если его плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.

Плотность массы истинного вакуума – это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам объявил своей величайшей ошибкой. Она была похоронена почти на 70 лет, но сегодня, похоже, не выглядит такой уж неудачной. Как мы увидим далее, неожиданное возвращение космологической постоянной привело к глубокому кризису в физике элементарных частиц. Однако для теории инфляции это стало чрезвычайно благоприятным поворотом событий. Плотность массы вакуума, оцененная по величине космологического ускорения, составляет около 70 процентов критической плотности – в точности столько, сколько требуется, чтобы сделать Вселенную плоской!

Рис. 9.1. В сферической вселенной сумма углов треугольника превышает 180 градусов. На этом рисунке треугольник имеет три прямых угла, что в сумме дает 270 градусов.

Этот вывод был позднее подтвержден наблюдениями космического микроволнового излучения. Вместо того чтобы полагаться на фридмановскую связь между геометрией Вселенной и ее плотностью, микроволновые наблюдения позволяют напрямую определить геометрию пространства – по сути, путем измерения суммы углов огромного узкого треугольника, одна вершина которого находится на Земле, а две другие – в точках испускания микроволн, приходящих к нам от двух близких точек на небе. (Длинные стороны этих треугольников имеют сегодня протяженность около 40 миллиардов световых лет.) В плоском пространстве, как известно еще со школьных уроков геометрии, сумма углов должна составлять 180 градусов. Большее значение суммы трех углов будет указывать на замкнутую Вселенную со сферической геометрией (рис. 9.1), а меньшее – на открытую с седлообразной. Микроволновые наблюдения показывают, что в действительности сумма углов очень близка к значению, которое соответствует плоскому пространству. Эти результаты можно выразить иначе, используя фридмановское соотношение между геометрией и плотностью. Самые последние измерения в таком случае указывают на то, что плотность Вселенной равна критической с точностью не хуже двух процентов – впечатляющий успех инфляционной космологии.

Образы пылающего прошлого

Другим триумфом инфляции было объяснение небольших возмущений плотности, едва заметной ряби, которая позднее превратилась в галактики. Теория инфляции дала четкое предсказание: величина возмущений должна быть примерно одинаковой на всех астрофизических масштабах длины – от характерных межзвездных расстояний (в несколько световых лет) и вплоть до размеров всей видимой Вселенной. К началу 1990-х наблюдатели были готовы проверить это предсказание.

Как уже говорилось в главе 4, первичная рябь оставляет отпечаток в фоновом космическом излучении. Это послесвечение Большого взрыва было испущено 13 миллиардов лет назад и сейчас приходит к нам со всех направлений на небе. С самого открытия этого излучения в середине 1960-х годов космологи догадывались, что в нем скрыт образ ранней Вселенной. Однако первичные неоднородности были столь малы – всего одна стотысячная средней интенсивности, – что долгие годы оставались за пределами точности измерений, и наблюдался лишь идеально однородный фон. Прорыв случился в 1992 году, когда был запущен спутник COBE (Cosmic Background Explorer, “исследователь космического фона”). Он построил полную карту неба, измерив излучение, приходящее со всех направлений, и впервые смог различить едва заметные вариации его интенсивности.

Карта COBE напоминает расфокусированную фотографию: на ней видны только крупные особенности космического огненного шара, а более тонкие детали, меньше примерно 7 градусов на небе, совершенно размыты. (Для сравнения: Луна видна под углом полградуса.) За COBE последовала серия других экспериментов всевозрастающей точности. Последним из них стала другая спутниковая миссия WMAP. На изображении огненного шара, полученном WMAP (рис. 4.2), различимы детали размером в ¹/₅ градуса, то есть оно в 30 раз более резкое, чем первоначальная карта COBE.

По мере сбора данных постепенно, шаг за шагом, проступала картина первичной ряби. И, что поразительно, она оказывалась в полном согласии с предсказаниями теории инфляции! Эти свидетельства ранней горячей эпохи оставались на небе миллиарды лет, дожидаясь, пока их откроют и расшифруют. И вот теперь небеса наконец заговорили.

В ближайшие годы инфляции предстоит пройти через серию новых наблюдательных проверок. Физическая теория может подтверждаться экспериментом, но никогда не может быть доказана. С другой стороны, одного твердо установленного факта достаточно, чтобы ее опровергнуть. Например, инфляция предсказывает, что плотность должна быть равна критической с точностью 1 к 100 000. Так что, если будущий эксперимент обнаружит более значительное отклонение, инфляция окажется в трудном положении.

Новое поколение миссий по исследованию микроволнового фона включает спутник “Планк”, который еще более повысит разрешение изображения, а также наземную обсерваторию QUIET, которая будет с высокой точностью измерять ориентацию электрического поля (поляризацию) микроволн. Поляризационный узор чувствителен к наличию гравитационных волн – крошечных вибраций геометрии пространства-времени. Этот эффект может служить для проверки еще одного предсказания инфляционной теории: мы должны быть погружены в гравитационно-волновое море с очень широким спектром длин волн – от размеров меньше Солнечной системы и до самых больших наблюдаемых масштабов. Амплитуда этих волн определяется энергией ложного вакуума – движущей силы инфляции. Чем выше энергия, тем больше волны. Так что, если QUIET зарегистрирует гравитационные колебания, мы получим возможность определить энергию ложного вакуума, вызывающего инфляционное расширение. Это стало бы важным шагом к пониманию инфляции и ее связи с физикой микромира.

∞

По мере поступления новых данных мои мысли все чаще обращались к заброшенной идее вечной инфляции. Главным аргументом против нее было то, что она рассматривает Вселенную за нашим горизонтом, которая недоступна для наблюдения. Но если теория инфляции поддерживается данными в наблюдаемой части Вселенной, не следует ли нам доверять и ее заключениям о регионах, которые мы не можем наблюдать?

Если я брошу камень в черную дыру, то, используя теорию относительности, смогу описать, как он падает к ее центру и как разрушается и испаряется под действием колоссальных гравитационных сил. Все это невозможно наблюдать снаружи, поскольку ни свет, ни какой-либо другой сигнал не может вырваться изнутри черной дыры. И все же лишь немногие поставят под вопрос точность моего описания. У нас есть все основания полагать, что теория относительности действует внутри черных дыр точно так же, как и снаружи. То же самое можно теперь сказать и про теорию инфляции. Надо попробовать извлечь из нее все, что она может рассказать о величественном устройстве Вселенной, ее происхождении и конечной судьбе.