Подходящим ключом к обнаружению первичных неоднородностей стало микроволновое фоновое излучение, которое, как выяснилось, позволяет определенным образом выявить эту рябь – остаточный продукт Большого взрыва. Начиная с 1970‐х гг. к поиску этих неоднородностей прилагались немалые усилия, и нередко звучали заявления, почти сразу же отвергаемые астрономами после некоторого обсуждения. Не вызывает никаких сомнений, что существует масштабная неоднородность в распределении галактик, и наряду с этой более узкой проблемой здесь очевидным образом присутствуют две другие проблемы, которые должны быть как-то связаны друг с другом.

Наша Галактика содержит звезды и газ, сосредоточенные главным образом во вращающемся диске, с наибольшей концентрацией в его центральном балдже, считающемся промежуточным пунктом на пути к громадной черной дыре. То же самое можно сказать и о других галактиках, на каждую из которых приходится в среднем куб пространства с длиной стороны около 10 миллионов световых лет. (Наш ближайший галактический сосед, галактика М31 в Андромеде, отстоит от нас примерно на 2 миллиона световых лет. Небольшая спиральная галактика М33 – чуть ближе.) Однако они распределены не случайным образом, и нас окружает скопление, состоящее примерно из двадцати галактик (Местная группа), расстояния между которыми исчисляются несколькими миллионами световых лет. Не следует игнорировать гравитацию, проявляющуюся на таких расстояниях: например, М31 движется в нашем направлении под воздействием гравитации со скоростью около 100 километров в секунду. Некоторые скопления гораздо более многочисленны. Наша Местная группа находится неподалеку от гораздо большего скопления в Деве, насчитывающего порядка двух тысяч членов и представляющего собой физический центр нашего Местного сверхскопления. (Последнее иногда называют Сверхскоплением Девы.) Его огромная масса воздействует на все галактики и группы галактик, но сильнейшей гравитации скопления в Деве достаточно для того, чтобы разогнать членов своей группы до скоростей, превышающих 1500 километров в секунду по отношению к центру масс. В последнюю четверть XX в. много внимания уделялось сложной динамической структуре всех этих огромных, но неоднородных совокупностей галактик.

В 1975 г. Г. Чинкарини и Х. Дж. Руд заявили, опираясь на проведенное ими исследование, что им удалось обнаружить неоднородное распределение материи в единице объема размером около 20 миллионов световых лет. На съезде МАС, состоявшемся в 1977 г., несколько астрономов сообщили, что нашли области пространства, почти лишенные галактик, – пустоты (так называемые «войды»), имеющие несколько сотен миллионов световых лет в поперечнике. Годом позже С. А. Грегори и Л. А. Томпсон получили доказательства существования относительно пустой области пространства вокруг большого семейства галактик (в общей сложности – более трех тысяч), известного как Сверхскопление Волос Вероники. (Здесь есть определенная путаница в наименованиях: надо иметь в виду, что указанное сверхскопление состоит в основном из двух меньших скоплений – Волос Вероники и Льва. Они получили свои имена по названию созвездий, где их обнаружили.) Постепенно стала выстраиваться некоторая картина мира галактик, оказавшегося и правда довольно комковатым, и в конце 1980‐х гг. стало казаться, будто их распределение напоминает нечто вроде мыльных пузырей – иногда больших, иногда маленьких, в каждом из которых галактики располагаются на поверхности пузыря, оставляя внутреннее пространство относительно пустым. Впервые детальная структура этой трехмерной картины была подробно проработана Маргарет Геллер, Джоном Хакра и Валери де Лаппарен из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра. Одна из любопытных структур, впоследствии ими обнаруженных, – «Великая стена» галактик, слоистое образование, покрывающее огромную площадь, но при этом удивительно тонкое (см. ил. 246). Когда они впервые обнаружили его, были высказаны серьезные сомнения насчет того, возможно ли, чтобы гравитация позволила выстроить такое большое образование, и аналогичные сомнения возникли насчет еще большей структуры, обнаруженной в Слоановском цифровом обзоре неба, законченном в 2005 г., в котором представлена карта миллиона галактик, охватывающих четверть неба, видимого из обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико. В итоге и в том и в другом случае сомнения были развеяны посредством компьютерного моделирования. Нет нужды говорить, что Слоановская Великая стена вызвала интерес у астрономов и математиков всего мира. Размер, безусловно, имеет значение.

Что касается образования скоплений, было бы неплохо задаться уточняющим вопросом о том, насколько высоко простирается указанная иерархия. В природном мире существует множество объектов (перья, папоротники, наши бронхи и т. д.), которые представляют собой структуру, повторяющуюся в меньших масштабах, если разглядывать их в микроскоп. Это некий раз за разом повторяющийся иерархический порядок. В гораздо более ранних исследованиях математик Бенуа Мандельброт открыл общий характер подобных структур и описал их в 1980 г. Он назвал их «фракталами». Легкость, с которой образы «множеств Мандельброта» генерируются на персональном компьютере, сделала эту идею популярной и в конечном счете привела к возникновению распространенного интернет-культа. Может быть, наша Вселенная является фракталом, в том смысле, что помимо скоплений существуют скопления скоплений и так далее до бесконечности? (Идеи Шарлье, высказанные по этому вопросу столетием ранее, приведены выше на с. 844.) Насколько известно, не существует никаких структур, превышающих по сложности те, что перечислены выше. Их обнаружение чрезвычайно актуально для современных исследований по истории Вселенной. К концу XX в. было достигнуто согласие относительно того, что в случае выбора гораздо большего масштаба, например при подсчете галактик в кубическом объеме со стороной один миллиард световых лет, их количество, а также количество их структур будет повсеместно одним и тем же.

Если скопления и сверхскопления галактик распределяются равномерно (в очень больших масштабах), то их гравитационные воздействия должны компенсироваться, но сверхскопления Девы и Гидры-Кентавра, являющиеся нашими ближайшими соседями в космическом масштабе, не уравновешиваются ничем сопоставимым с противоположной стороны, и поэтому должны воздействовать на нашу Галактику гравитационными силами. Мы видели, как начиная с 1920‐х гг. выяснялся характер движения Солнца вокруг центра нашей Галактики, но как обстоят дела с движением самой Галактики? В 1970‐х гг. Джордж Смут с коллегами пытались найти следы этого движения в реликтовом излучении. Спутник «COBE» (Cosmic Background Explorer – Исследователь космического фонового излучения) был еще делом будущего, и они запускали свои детекторы на большую высоту на «шпионских» самолетах «U‐2». Они обнаружили, что наша Галактика движется со скоростью 600 километров в секунду в направлении скопления Девы. Они как бы продолжили маршрут, проложенный Гершелем в поисках солнечного апекса, но в гораздо более широком масштабе.

Можно ли продвинуться еще дальше? Скопление Девы наверняка притягивается более удаленными скоплениями и сверхскоплениями, но наша Галактика уже не будет напрямую включена в это движение. В 1994 г. Алан Дресслер из Института Карнеги в Пасадене (штат Калифорния) опубликовал книгу, посвященную этой проблеме: «Путешествие к Великому аттрактору: Поиски в межгалактическом пространстве». Он описывает проект, длившийся в течение пяти лет, в ходе которого он и шесть его коллег (они называли себя «Семь самураев») открыли, что несколько сотен галактик, включая нашу, совокупно втягиваются в какое-то невероятное средоточие массы. Название, которое они для него подобрали, – «Великий аттрактор» – пополнило общественное воображение еще одним объектом типа «Великой стены». Согласованные движения на очень больших масштабах, словно дома на плавучем острове, демонстрируют, что невидимая масса действительно очень велика. Остается невыясненным – существуют ли другие сопоставимые по величине аттракторы, распределенные по всей Вселенной, и какую роль играет в этом явлении темная материя.

Гораздо проще решить проблему сглаженности космического фонового микроволнового излучения. В 1992 г. «COBE» предоставил новые впечатляющие данные о неоднородности. В 1974 г. Джон Мазер, будучи молодым студентом Колумбийского университета, отослал в НАСА скромный проект разработки подобного зонда. Эту идею решили поддержать. План заключался в использовании всех возможных вариантов поиска по направлениям с измерением силы сигналов, по своему виду похожих на обнаруженные в 1964 г. Пензиасом и Уилсоном. Одной из наиболее сложных проблем, с которой столкнулись Мазер с коллегами в Центре космических полетов им. Годдарда (во главе коллектива снова стоял Джордж Смут), стало микроволновое излучение, испускаемое нашей Галактикой, от улавливания которого следовало избавить спутниковые детекторы. Для измерения уровня излучения на слабо разнящихся длинах волн использовалось три разных детектора, затем они сравнивались с помощью компьютера. В декабре 1991 г. ученые располагали данными, показывающими, как представлялось, отчетливые признаки флуктуаций – характерную пятнистость на картах излучения, как будто удалось заглянуть в прошлое, если можно так выразиться. В течение четырех месяцев они многократно проверяли и перепроверяли полученные данные. Это связано с огромными трудностями, поскольку зарегистрированные всплески были плотнее фонового излучения всего лишь на одну стотысячную долю. Таким образом, регистрация их с поверхности Земли, что планировали сделать различные астрономические коллективы, в частности группа исследователей из обсерватории Джодрелл-Бэнк, была бы сопряжена с еще большими трудностями.

Успешная регистрация «COBE» едва различимых признаков нарушений гравитационного поля ранней Вселенной представляла собой высококлассное техническое достижение. Когда в апреле 1992 г. на конференции Американского физического общества объявили о полученных результатах, все специалисты, интересующиеся этой проблемой, были в полном восторге. На пресс-конференции, устроенной указанной группе исследователей, Смут отметил: «Если вы религиозны, то это примерно то же самое, что узреть Бога», а месяц спустя смягчил исходную формулировку, задавшись теологическим вопросом: «Это как найти движущий механизм, приводящий в действие вселенную, и разве не этим является Бог?» «Ньюсуик» опубликовала статью под заголовком «Письмена Бога», в которой рассказывалось о восторженных отзывах других астрономов, подливавших масла в огонь всеобщего возбуждения: «Они нашли чашу Грааля космологии» (Майкл Тернер); «Это как книга „Бытия“» (Стивен Маран); и «величайшее открытие столетия, если не всей истории» (Стивен Хокинг). Однако флуктуации не являлись чем-то неожиданным и, принимая во внимание неоднородности, проявившиеся в более позднюю историю Вселенной, было бы более удивительно, если бы исследование подобного рода не появилось вовсе. Хотя указанный эпизод служит ярким напоминанием об энтузиазме минувшей эпохи, это также напоминает нам о том, что существуют сообщества, в которых сомнительная теология может оказаться экономически выгодной. В течение следующего десятилетия у астрономов случилось несколько серьезных поводов посетовать на недостаточное финансирование. Священный Грааль?

Вскоре после этого на Южном полюсе было предпринято исследование космического излучения независимо от (но в дополнение к) «COBE». Физики Марк Драгован и Джеффри Питерсон из Принстонского университета произвели чрезвычайно важные наблюдения, использовав аппаратуру Центра астрофизических исследований в Антарктике. Они объявили о своих находках в 1993 г. на конференции Американского астрономического общества, но с меньшей помпой, чем их предшественники. Использовав во время южного лета 1992/93 г. два специально разработанных радиотелескопа, они зарегистрировали с помощью одного из них температурные колебания в пределах трех миллионных долей – гораздо меньшие, чем мог зарегистрировать «COBE». Работа в Антарктике обладала многочисленными преимуществами по сравнению с более комфортными условиями, хотя в принципе у любого спутника всегда есть возможность выявить более тонкие детали. Детекторы радиоизлучения необходимо было охлаждать до температур, возможно более близких к абсолютному нулю, и это достигалось чуть проще, чем в лабораториях под крышей. На широте полюса не требуется делать перерывов в наблюдении выбранного участка неба, что делает работу телескопов более эффективной. (Конечно, с полюса видна только половина неба, и в этом отношении спутник обладает определенным преимуществом.) Наиболее важным условием является крайне сухой антарктический воздух, практически полностью лишенный водяного пара, который обычно затрудняет наблюдение микроволнового излучения с наземных обсерваторий. Но главное преимущество – вопрос покрытия расходов.

После того как в 1996 г. был завершен эксперимент спутника «COBE», последовали другие наземные и стратостатные (баллонные) эксперименты по измерению анизотропии космического фонового микроволнового излучения со все более высоким разрешением. Эти измерения позволили исключить космические струны из числа теорий, достоверным образом описывающих структуру Вселенной, и укрепить веру в космическую инфляцию. (Чуть позже мы еще раз поговорим об этих двух теориях.) В течение следующего десятилетия количество подобных программ стремительно росло, достигнув в общей сложности не менее семнадцати; базируясь в местах от Саскачевана до Южного полюса, все они ставили перед собой общую цель углубления знаний об анизотропии космического фонового микроволнового излучения. Программы отличались друг от друга в различных аспектах, главным образом в масштабе измеряемых флуктуаций, размере обозреваемых участков неба и достигаемом угловом разрешении. Некоторые из них измеряли поляризацию, что может помочь в решении вопроса о времени формирования звезд и, возможно, получить ключ к разгадке событий, происходивших на самых ранних стадиях развития Вселенной. Одним из наиболее амбициозных проектов НАСА был спутник «WMAP», программа которого предусматривала картографирование относительной температуры космического фона всего неба с угловым разрешением около 0,3° и высокой чувствительностью. Для этого использовалось оборудование, с помощью которого можно было с очень высокой точностью измерять разницу температур между двумя точками неба. (Как отмечалось выше на с. 950, «WMAP» был размещен на орбите в точке Лагранжа L₂ системы Солнце-Земля.)

Данные трехлетних наблюдений «WMAP» опубликованы в 2006 г. Их истолковали как веское доказательство в пользу Стандартной космологической модели ΛCDM, которая к тому времени начала получать все бо́льшую поддержку, хотя всего лишь несколькими неделями ранее была поставлена под сомнение кембриджскими астрономами (см. с. 1005). По вопросу «дактилограммы» ранней Вселенной, отвечающей за современную организацию материи в большом масштабе и выявленной благодаря анализу температурных флуктуаций в космическом микроволновом фоне, две независимые группы исследователей почти одновременно анонсировали в январе 2005 г. общее согласие с ранними интерпретациями данных «COBE» и «WMAP». Это были «Двухградусный обзор галактических красных смещений» (2dFGRS), осуществленный с использованием телескопа-робота в Новом Южном Уэльсе, и Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS) обсерватории в Нью-Мексико. Первый коллектив установил, что на барионную материю Вселенной приходится 18 процентов, а на темную – 82 процента. По вопросу о ХТМ единого вывода пока нет.