История всего

Эти свойства позволяют астрономам использовать сверхновые типа Ia в качестве очень ярких и легко различимых «стандартных свечей» — объектов упорядоченного измерения, которые достигают равнозначного максимального выхода энергии, где бы они ни находились. Конечно, расстояние от наблюдателя до такой сверхновой звезды играет роль. Две звезды типа Ia в двух разных далеких галактиках будут излучать свет одинаковой степени яркости только в том случае, если они находятся на одинаковом расстоянии от нас. Соответственно, если одна находится в два раза дальше другой, ее сияние будет в четыре раза менее ярким (так как светимость любого объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния от наблюдателя до такого объекта).

Когда астрономы научились распознавать сверхновые звезды типа Ia на основании подробного анализа светового спектра каждого из таких объектов, у них в руках оказался золотой ключик от двери, за которой прятался ответ на вопрос: как точно измерить расстояние до небесных тел? Измерив (другими способами) расстояние до нескольких ближайших сверхновых типа Ia, ученые смогли вычислить гораздо более существенные расстояния до других сверхновых типа Ia, просто сравнив светимость относительно близких и далеких объектов.

В 1990-е годы две команды специалистов по сверхновым звездам — одна из Гарварда, а другая — из Калифорнийского университета в Беркли — усовершенствовали эту методику, найдя способ компенсировать в своих расчетах небольшие, но реальные различия между сверхновыми типа Ia, которые можно отследить по их спектрам. Чтобы воспользоваться новеньким блестящим ключом от расстояний до самых далеких сверхновых звезд, исследователям был нужен телескоп, способный наблюдать за далекими галактиками и записывать свои наблюдения с ювелирной точностью. Они обратились к телескопу Хаббла, который в 1993 году получил новое основное зеркало (старое было изготовлено с погрешностью). С помощью наземных телескопов эксперты по сверхновым звездам обнаружили десятки объектов типа Ia в галактиках в миллиардах световых лет от Млечного Пути и запросили аудиенцию у телескопа Хаббла, чтобы повнимательнее изучить недавно обнаруженные сверхновые звезды.

1990-е годы подходили к концу, две команды наблюдателей за сверхновыми звездами соревновались друг с другом за право первой представить новую и улучшенную версию «диаграммы Хаббла» — ключевого космологии графика, на который расстояния удаленности от нас галактик наносятся в соответствии со скоростями, с которыми эти галактики удаляются от нас. Астрофизики вычисляют значения таких скоростей на основании эффекта Доплера (более подробно о нем — в главе 13), который изменяет цвет излучения галактик в зависимости от той скорости, с которой эти галактики от нас удаляются.

Соответствующие каждой галактике удаленность и скорость дальнейшего удаления отмечены на диаграмме Хаббла. В случае с относительно близкими галактиками кривая, соединяющая эти точки, вполне синхронно идет вверх, так как одна галактика, удаленная от нас в два раза больше, чем другая, демонстрирует и в два раза большую скорость удаления. Прямую пропорциональность между расстояниями до галактик и их скоростями удаления можно алгебраически выразить законом Хаббла — простым уравнением, описывающим базовые повадки Вселенной: v = H₀ х d. Здесь v представляет собой скорость удаления, d — расстояние, а H₀ — это универсальная постоянная (постоянная Хаббла), которая описывает всю Вселенную целиком в любой конкретный момент времени. Сторонние наблюдатели со всей Вселенной, изучая ее через 14 миллиардов лет после Большого взрыва, обнаружат, что галактики удаляются согласно описанной законом Хаббла формуле, и каждый такой наблюдатель получит одно и то же значение постоянной Хаббла, хотя назовут ее все они, конечно, по-разному. Эта предполагаемая межкосмическая демократия лежит в основе всей современной космологии. Мы не можем доказать, что вся Вселенная без исключения следует принципам этой демократии. Возможно, далеко за пределами доступной нам видимости космос ведет себя совсем иначе, чем «здесь». Но космологи отвергают подобные идеи, по крайней мере видимой и наблюдаемой нами Вселенной. Так что будем считать, что формула v = H₀ х d представляет собой универсальный — вселенский! — закон.

Надо отметить, что постоянная Хаббла меняется со временем. Новая и улучшенная диаграмма Хаббла, включающая в себя галактики в миллиардах световых лет от нас, когда-нибудь откроет не только значение сегодняшней постоянной Хаббла (выраженной в градиенте линии, соединяющей точки соответствия расстояния и скорости удаления каждой отдельной галактики), но и динамику скорости расширения Вселенной за последние миллиарды лет. Значение скорости расширения Вселенной в начале ее существования будет определено данными в верхних значениях графика, так как они соответствуют наиболее далеким из изученных галактик (а значит, предстающим перед нами в своем глубоко «прошлом» виде). Таким образом, диаграмма Хаббла, охватывающая расстояния вплоть до многих миллиардов световых лет, сможет дать нам историческую картину расширения Вселенной, описанную ее переменной скоростью расширения.

На пути к данной цели миру астрофизиков повезло: у них было две команды-соперницы, и обе тщательно изучали сверхновые звезды. Результаты этих исследований были впервые обнародованы в феврале 1998 года, и их эффект превзошел все ожидания. Если бы гонцом космических новостей была только одна группа ученых, ей вряд ли удалось бы пробить естественный скептицизм своих многоуважаемых коллег, которые не сдали бы без боя свои давно признанные и выпестованные убеждения об устройстве Вселенной. Но в этом случае две команды скептически целились в первую очередь друг в друга и потому особо тщательно принялись искать ошибки в полученных соперниками данных или выводах на их основании. Когда и те и другие объявили, что их все устраивает (несмотря на изначальную предубежденность друг против друга) и что конкуренты справились с задачей, миру космологии не оставалось иного выбора, кроме как принять, хоть и поначалу довольно сдержанно, новости с передовой космических исследований.

Новости заключались в том, что самая далекая сверхновая звезда типа Ia оказалась более бледной, чем отдалось. Это означает, что сверхзвезды расположены чуть дальше, чем следовало бы, что, в свою очередь, означает, что что-то заставило Вселенную расширяться быстрее, чем следовало бы. Что же спровоцировало ускорение расширения? Единственный возможный обвиняемый, подходящий по всем параметрам, — это темная энергия, таящаяся в пустом пространстве, та самая энергия, чье существование соответствует ненулевой космологической постоянной. Определив расстояние, на которое та далекая сверхновая звезда оказалась дальше, чем ожидалось, две команды астрономов определили саму форму и судьбу Вселенной.

Когда две команды, изучавшие сверхновые звезды, достигли единодушия, оказалось, что космос… плоский. Для наглядности придется немного повозиться с греческим алфавитом. Чтобы описать Вселенную с ненулевой космологической постоянной, нам нужно еще одно число. К постоянной Хаббла, обозначаемой нами как H₀ (это ее значение в наше время), и к средней плотности вещества, которая сама по себе определяет кривизну пространства при нулевом значении космологической постоянной, мы должны добавить эквивалент плотности, которую обусловливает темная энергия. Она, согласно эйнштейновской формуле E = mc2, обладает выраженным в массе (т) эквивалентом энергии (E).

Космологи записывают плотность вещества и темной энергии с помощью символов Ω_Μ и Ω_Λ, где Ω, (греческая заглавная «омега») представляет собой отношение космической плотности к критической. Ω_Μ — это отношение средней плотности всего вещества во Вселенной к критической плотности, а Ω_Λ — отношение эквивалентной плотности темной энергии к критической. В данном случае Λ (греческая заглавная «лямбда») представляет собой космологическую постоянную. В плоской Вселенной с нулевой кривизной пространства сумма Ω_Μ и Ω_Λ всегда равняется единице, потому что суммарная плотность (вещества и эквивалентной веществу темной энергии) должна строго равняться критической плотности.

Наблюдения за далекими сверхзвездами типа Ia помогли измерить разницу между Ω_Μ и Ω_Λ. Вещество замедляет расширение Вселенной, так как гравитация притягивает все ко всему остальному, затрудняя отдаление друг от друга. Чем выше плотность вещества, тем больше гравитационное взаимодействие замедляет процесс. Однако темная энергия делает кое-что принципиально другое. В отличие от скоплений вещества, чье взаимное притяжение замедляет космическое расширение, темная энергия обладает странным свойством: она заставляет пространство расширяться, тем самым дополнительно ускоряя этот процесс. Чем шире пространство, тем больше в нем становится темной энергии, так что расширяющаяся Вселенная — самый что ни на есть настоящий бесплатный сыр сами знаете где. Новоявленная темная энергия заставляет космос расширяться еще быстрее, и бесплатного сыра становится все больше и больше — и так до бесконечности. Значение Ω_Λ отражает собой размер космологической постоянной и позволяет нам оценить абсолютное значение тенденции темной энергии к расширению своего окружения. Когда астрономам удалось измерить отношение удаленности галактик к их скоростям удаления, они обнаружили, во что выливается противостояние гравитации и темной энергии. Согласно их подсчетам, Ω_Λ- Ω_Μ = 0,46 (±0,03). Так как астрономы на тот момент уже определили, что значение Ω_Μ составляет примерно 0,25, на основе этой формулы легко установить, что Ω_Λ предположительно равняется 0,71. Тогда в сумме Ω_Λ и Ω_Μ дают 0,96 — а это почти полноценная единица, которую прочит нам инфляционная модель Вселенной. Более свежие данные внесли в эти цифры уточняющие дополнения, благодаря чему сумма Ω_Λ + Ω_Μ еще больше приблизилась к единице.

Несмотря на единодушие между двумя соперничающими группами экспертов по сверхновым звездам, некоторых космологов все же было трудно убедить до конца. Не каждый день ученым случается оставить многолетние убеждения, такие, скажем, как нулевое значение космологической постоянной, и заменить их принципиально новым выводом о том, что темная энергия заполняет собой каждый кубический сантиметр пустого пространства. Почти все скептики, которые внимательно следили за приключениями теорий об устройстве космоса, в конце концов присоединились к новой версии, после того как смогли переварить результаты новой серии отчетов спутника, созданного для того, чтобы с беспрецедентной точностью записывать свои наблюдения за реликтовым излучением. Этот спутник — всемогущий WMAP, уже упомянутый в главе 3, — начал записывать свои полезные наблюдения в 2002 году, и к началу 2003 года у него накопилось для космологов достаточно данных для того, чтобы на их основании составить всеохватную небесную карту микроволнового излучения, несущего на себе большую часть космического фонового излучения. Хотя более ранние исследования уже позволили сделать несколько базовых выводов и без такой карты, они все же были сделаны на основании куда более скудных данных, собранных лишь с отдельных участков неба.

Полноценная карта неба от WMAP стала кульминацией многолетних трудов множества специалистов, а также определила раз и навсегда самые важные особенности реликтового излучения.

Самый выдающийся и значительный аспект новой карты, как и в случае с наблюдениями с аэростатов и наблюдениями, сделанными с помощью предшественника WMAP — спутника COBE[24], заключается в ее почти полной безликости. Вы не найдете никаких заметных различий в интенсивности излучения, идущего со всех сторон, пока не доберетесь в своих измерениях примерно до одной тысячной доли значений. Но и тогда едва различимые отличия принимают форму лишь незначительного повышения интенсивности излучения в одном конкретном направлении и соответствующего незначительного понижения интенсивности излучения в противоположном направлении. Эти различия вызваны движением нашей галактики Млечный Путь среди соседних с ней галактик. Из-за эффекта Доплера мы принимаем чуть более явный сигнал в направлении такого движения не потому, что само реликтовое излучение сильнее, а потому, что наше движение навстречу ему слегка увеличивает энергетический след фотонов, которые мы можем обнаружить.

Скорректировав результат со скидкой на эффект Доплера, мы получаем ровное реликтовое излучение, но это только вплоть до уровня стотысячных долей его величины. На этом уровне обнаруживаются крошечные отклонения от всеобщего единообразия. Эти отклонения можно сопоставить с участками, из которых реликтовое излучение приходит чуть более или чуть менее ярким. Как уже отмечалось ранее, разница в интенсивности связана с направлениями, в которых вещество чуть горячее и плотнее (или прохладнее и разреженнее) среднестатистического вещества в районе 380 тысяч лет после Большого взрыва. Спутник COBE первым заметил эти различия. Инструментальные измерения с помощью аэростатов и исследования на Южном полюсе уточнили имеющиеся у нас данные, а затем спутник WMAP предоставил еще более детальные сведения о небесном своде, что дало космологам возможность создать подробную карту плотности реликтового излучения с невообразимой ранее точностью углового разрешения вплоть до одного градуса.

Незначительные отклонения в однообразии реликтового излучения, обнаруженные и спутником COBE, и спутником представляют космологов более чем просто мимолетный интерес. Так, они показывают нам зачатки структурного строения Вселенной в то время, когда фоновое излучение перестало взаимодействовать с веществом. Регионы, в которых вещество чуть плотнее среднего, в те далекие времена получили фору для дальнейшего сокращения и выиграли эти космические соревнования, собрав у себя большую часть вещества с помощью гравитации. Первым важным заключением, которое позволяет сделать новая карта распределения реликтового излучения, является следующее: подтверждаются космологические теории о том, что огромная разница в плотности вещества от региона к региону Вселенной, наблюдаемая сегодня, существует благодаря крошечным различиям в плотности вещества, которые сложились во Вселенной через несколько сотен лет после Большого взрыва.

Однако космологи могут использовать новые результаты своих наблюдений за реликтовым излучением еще и того, чтобы разгадать другую, более фундаментальную особенность устройства Вселенной. Подробная карта распределения реликтового излучения показывает нам кривизну самого пространства. Это удивительное заключение основано на том факте, что кривизна пространства влияет на путешествующее сквозь него излучение. Если, например, пространство искривлено положительно, тогда при наблюдении за реликтовым излучением мы оказываемся примерно в позиции стороннего наблюдателя, стоящего на Северном полюсе и глядящего вдоль поверхности Земли в направлении источника излучения в районе экватора. Так как линии долготы сходятся на полюсе, источник излучения предстает перед таким наблюдателем более остроугольным, чем было бы при абсолютно плоском пространстве.

Чтобы понять, как кривизна пространства влияет на угловой размер составляющих реликтового излучения, представьте себе время, когда оно наконец-то перестало взаимодействовать с веществом. Тогда крупнейшие отклонения от однообразия, что только могли существовать во Вселенной, обладали размером, который космологи могут подсчитать: возраст Вселенной, умноженный на скорость света, — и это равняется примерно 380 тысячам световых лет поперек. Это то самое максимальное расстояние, на котором частицы вещества еще могли иметь друг на друга какое-либо влияние и создавать какие-либо шероховатости. В случае с большими расстояниями «новости» от других частиц просто не успели бы еще добраться куда следовало, так что их нельзя винить в нарушениях распределения реликтового излучения.

Под каким углом эти максимальные отклонения расположились бы на небе сейчас, зависит от кривизны пространства, которую можно определить, сложив Ω_Μ и Ω_Λ. Чем ближе эта сумма к единице, тем ближе кривизна пространства к нулю (то есть тем более плоское пространство мы имеем) и тем больше угловой размер наблюдаемых нами максимальных отклонений от однообразия реликтового излучения. Данная кривизна пространства зависит только от суммы двух Ω, потому что оба типа плотности провоцируют кривизну пространства одинаковым образом. Получается, что наблюдения за реликтовым излучением предлагают нам прямое значение суммы Ω_Μ + Ω_Λ, а изучение сверхновых звезд — значение алгебраической разницы между Ω_Μ и Ω_Λ.

Данные спутника показывают, что для самых заметных отклонений от однообразия реликтового излучения характерен угол 1 градус, и это означает, что сумма Ω_Μ + Ω_Λ равняется 1,02 (±0,02). Так, в рамках границ экспериментально допустимой точности мы можем сделать вывод, что Ω_Μ + Ω_Λ = 1. Значит, пространство плоское. Результаты наблюдений за далекими сверхновыми типа Ia можно резюмировать строчкой Ω_Λ — Ω_Μ = 0,46. Если мы совместим этот результат с утверждением о том, что Ω_Μ + Ω_Λ = 1, мы получим следующие значения: Ω_Μ = 0,27, а Ω_Λ = 0,73; погрешность каждого из составляет несколько процентов. Как уже отмечалось ранее, это лучшие на сегодня предполагаемые значения двух ключевых космических параметров, имеющиеся в распоряжении у астрофизиков. Они демонстрируют, что на вещество — как на обычное, так и на темную материю — приходится лишь 27 % суммарной плотности вещества (или обычной энергии в его эквиваленте), в то время как на долю темной энергии приходится 73 %. Если хотите, можно рассматривать массовый эквивалент темной энергии — E/c2; тогда на долю темной энергии приходится 73 % всей массы Вселенной.

Ученые установили, что при ненулевом значении космологической постоянной относительное влияние вещества и темной энергии должны меняться с течением времени. С другой стороны, плоская Вселенная навсегда останется плоской, от своего рождения в результате Большого взрыва и вплоть до того бесконечного будущего, что ждет нас впереди. В плоской Вселенной сумма Ω_Μ и Ω_Λ всегда равна единице, а значит, если изменится одно слагаемое, и другое не сможет остаться неизменным.

В космические эпохи, наступившие вскоре после Большого взрыва, темная энергия не играла во Вселенной почти никакой роли. По сравнению с предстоящими вехами в ее истории, Вселенная тогда была столь мала, что на долю Ω_Λ приходилось число немногим больше нуля, в то время как Ω_Μ практически равнялась единице. В те времена Вселенная напоминала собой пространство без какой-либо космологической постоянной. Шло время, и значение Ω_Μ постепенно уменьшалось, зато значение Ω_Λ росло в обратной к нему пропорции, сумма же неизменно оставалась равной единице. Рано или поздно, через сотню миллиардов лет от сегодняшнего дня, Ω_Μ упадет почти до нуля, зато Ω_Λ будет расти и расти, пока не приблизится по своему значению к единице. Мы видим, что история плоской Вселенной с ненулевой космологической постоянной подразумевает переход от «ранних лет», когда темной энергии отводилась самая незначительная роль, к «настоящему», когда Ω_Μ и Ω_Λ были приблизительно равны, а затем и к бесконечному будущему, в котором вещество будет распределено по Вселенной столь разреженно, что Ω_Μ будет бесконечно стремиться к нулю, хотя сумма двух Ω, все равно будет оставаться равной единице.

Наши наблюдения позволяют, с одной стороны, вычислить, что в данный момент в галактических кластерах величина. Ω_Μ составляет примерно 0,25, с другой — наблюдения за реликтовым излучением и далекими сверхновыми звездами приводят значение, скорее близкое к 0,27. С учетом экспериментальной погрешности эти два значения можно считать «совпадающими». Если мы действительно живем во Вселенной с ненулевой космологической постоянной и если эта постоянная отвечает (в паре с веществом) за формирование плоской Вселенной, как это предсказывает инфляционная модель, тогда космологическая постоянная должна иметь значение, которое, в свою очередь, приближает значение Ω_Λ к 0,7 с лишним. То есть оно в два с половиной раза больше значения Ω_Μ. Другими словами, сейчас выполняет основную часть работы во имя того, чтобы сумма Ω_Μ + Ω_Λ равнялась единице. Это означает, что мы уже оставили позади ту эпоху, в которой вклад вещества и космологической постоянной в поддержание плоской формы Вселенной был равен (значение каждой Ω составило 0,5).

Прошло менее 10 лет, и прозвучавший двойной выстрел результатов наблюдений за сверхновыми звездами типа Ia и реликтовым излучением привел к переходу концепции темной энергии из статуса «какой-то там» идеи, на которой в свое время ненадолго остановился Эйнштейн, в статус непреложного космического факта о жизни. Если только в будущем не окажется, что все эти многочисленные данные получили неверную трактовку, были некорректно собраны или просто в корне неверны, нам останется лишь принять тот факт, что Вселенная никогда не сократится в размере и не прекратит свое существование. Вместо этого нас ждет довольно скучное будущее: через сотню миллиардов лет, когда большинство звезд уже выгорит, все, кроме самых ближайших галактик, навсегда исчезнет из нашего поля зрения.

К тому времени Млечный Путь соединится со своими ближайшими соседями, создав одну огромную — гигантскую! — галактику в буквальном смысле в настоящей космической глуши. В нашем ночном небе останется сколько-то звезд, мертвых еще функционирующих, и больше ничего. Астрофизикам будущего предстоит жить в весьма жестоком мире. Вокруг не будет ни одной галактики, которая помогла бы им отследить факт расширения Вселенной, и они, как и Эйнштейн, ошибочно предположат, что живут в статической Вселенной. Космологическая постоянная и ее темная энергия доведут Вселенную до состояния, в котором их нельзя будет не только измерить, но и в принципе вообразить.

Рекомендуем получать удовольствие от космологии, пока это еще возможно.

Глава 6

Одна Вселенная или множество?

В начале 1998 года мир космологии потрясло открытие, что мы живем в мире ускорения, в котором Вселенная не только постоянно расширяется, но и делает это все быстрее и быстрее. Тогда были объявлены первые результаты наблюдений за сверхновыми звездами, которые и помогли ученым прийти к заключению о расширении Вселенной. Сегодня, когда эта идея также окончательно заручилась поддержкой исследователей реликтового излучения (а у космологов было достаточно лет для того, чтобы пропустить через себя мысль о постоянно ускоряющемся космическом расширении), возникают два серьезных вопроса, и в поиске ответов на них космологи проводят дни и ночи: почему скорость расширения Вселенной растет, почему у этого ускорения именно такое значение и как оно характеризует Вселенную?

Простой ответ на первый вопрос перекладывает всю ответственность за ускорение расширения Вселенной на сам факт существования темной энергии же, что равнозначно, на наличие ненулевой космологической постоянной. Сама степень ускорения напрямую зависит от количества темной энергии на каждый кубический сантиметр пустого пространства: чем больше энергии, тем быстрее ускорение. Так, если бы ученые смогли объяснить, откуда берется эта самая темная энергия и почему сегодня во Вселенной ее именно столько, сколько есть, они могли бы с чистой совестью заявить, что разгадали фундаментальную загадку Вселенной: происхождение той энергии в пустом пространстве, которая неуклонно провоцирует космос на дальнейшее и все более стремительное расширение — вперед в будущее, в котором нас ждет поистине необъятное космическое пространство, не менее гигантские запасы темной энергии в нем и почти никакого вещества на один кубический световой год.

Откуда берется и что представляет собой темная энергия? Нащупать ответ космологи могут в глубинных пластах своих знаний о физике частиц: темная энергия — это продукт каких-то событий, происходящих в пустом пространстве (если не терять надежды на то, что квантовая теория достоверно описывает суть вещества и энергии). Вся физика частиц основана на данной теории, состоятельность которой столь многократно и очень точно была подтверждена в микроскопических условиях, что почти все физики не видят повода сомневаться в ней. Неотъемлемая часть квантовой теории подразумевает, что так называемое пустое пространство на самом деле гудит и дрожит от «виртуальных частиц», которые появляются в нем и исчезают быстрее, чем мы успеваем их заметить, однако позволяют нам отследить эффект своего существования (темную энергию). Собственно, возникает она в результате этого постоянного мельтешения — появления и исчезновения — виртуальных частиц, которое мы называем квантовыми флуктуациями вакуума (это специально для тех, кому нравится звонкая терминология физиков, остальные могут использовать слово «колебания»). Далее исследователи частиц могут без особых трудностей вычислить точное количество энергии, заполняющей каждый кубический сантиметр вакуума. Непосредственное применение квантовой теории к так называемому вакууму напрямую предполагает, что такие квантовые колебания должны производить темную энергию. Со стороны эта история звучит весьма непринужденно, и возникает резонный вопрос: почему же космологам понадобилось так много времени на то, чтобы обнаружить существование этой энергии?

К сожалению, в силу особенностей реального расклада вещей нам следует иначе сформулировать вопрос: как могли физики, изучающие частицы, так радикально ошибиться? Подсчеты количества темной энергии на каждый кубический сантиметр вакуума указывают на число примерно в 10120 раз большее, чем значение, экспериментально найденное космологами в процессе наблюдения за сверхновыми звездами и реликтовым излучением. В абстрактных астрономических ситуациях расчеты, которые оказываются приблизительно верными, демонстрируя ошибочность в десять или менее раз, зачастую воспринимаются как «временно удовлетворительные». Однако ошибку в 10120 раз под диван не спрячешь, даже если вы неисправимый оптимист в огромных очках с толстыми розовыми стеклами. Если бы в реальном вакууме темной энергии было столько, сколько следует из квантовых законов физики, Вселенная уже давно бы распухла до таких размеров, которых нам с вами никогда даже близко не вообразить, причем крошечной доли секунды хватило бы на то, чтобы разнести вещество по всему космосу в невероятно разреженном виде. Теория и наблюдения единодушны в своих выводах о том, что в пустом пространстве содержится темная энергия, однако в вопросах того, сколько именно такой энергии там можно обнаружить, они расходятся в миллиард в десятой степени раз. Чтобы наглядно проиллюстрировать это колоссальное расхождение, не получается придумать ни одного «земного» примера, да и космический тоже не приходит в голову. Расстояние от Земли до самой далекой известной нам галактики превышает размер одного протона в 1040 раз. Даже это гигантское число — всего лишь кубический корень из того, во сколько раз расходятся теория и практика относительно значения нашей космологической постоянной.

Специалисты по физике частиц и космологи давно знают, что квантовая теория задает неприемлемо высокое значение объема мировой темной энергии. Но в те дни, когда считалось, что значение космологической постоянной равно нулю, они надеялись обнаружить какое-либо еще объяснение своим наблюдениям — такое, которое, по сути, свело бы на нет сам вопрос к устройству Вселенной с помощью взаимного исключения положительных и отрицательных величин теории. Подобное взаимоисключение когда-то решило проблему того, каким количеством энергии виртуальные частицы наделяют обычные — видимые нам — частицы. Теперь же, когда мы знаем, что космологическая постоянная не равна нулю, надежды на то, что подобное решение методом «взаимоисключения» найдется, довольно призрачны. Однако, если такое решение существует, оно каким-то образом должно будет обесценить практически все те теоретические знания, которыми мы обладаем на сегодняшний день. Сейчас, из-за отсутствия объяснения размера космологической постоянной, ученым остается лишь продолжать плотное сотрудничество в областях космологии и физики частиц, стремясь найти способ привести в соответствие теорию о том, как в космосе рождается темная энергия с ее невероятно высокой концентрацией из расчета на один кубический сантиметр вакуума.

Светила современной физики частиц и космологии тратят немало сил на то, чтобы объяснить значение космологической постоянной — и безрезультатно. Отсюда и жаркий гнев бессилия в рядах ученых-теоретиков, не в последнюю очередь потому, что тот, кто сможет объяснить, как природа смогла создать именно такое космическое пространство, каким мы его наблюдаем, получит и Нобелевскую премию, и невообразимую радость открытия и научного прорыва. Но объяснение требуется еще многим вещам, и одна из них имеет самое прямое отношение к нашей теме обсуждения: почему количество темной энергии, выраженное в ее массовом эквиваленте, примерно равно количеству энергии, производимой всем веществом во Вселенной?

Этот вопрос можно задать и иллюстративно, с помощью двух Ω, представляющих собой плотность вещества и плотность массового эквивалента темной энергии: почему значения Ω_Μ и Ω_Λ приблизительно равны? Почему одно из них не больше другого в разы? В первый миллиард лет после Большого взрыва Ω_Μ была практически равна единице, в то время как Ω_Λ — нулю. В те далекие времена Ω_Μ сначала была в миллионы, затем в тысячи и потом уже в сотни раз больше Ω_Λ. Сегодня же, когда Ω_Μ = 0,27 и Ω_Λ = 0,73, эти два значения можно считать примерно равными друг другу, хотя Ω_Λ и явно выше. В далеком будущем, более 50 миллиардов лет спустя, Ω_Λ будет сначала в сотни, потом в тысячи и даже в миллионы, а потом и в миллиарды раз больше Ω_Μ. Только в течение периода космической истории примерно от 3 до 50 миллиардов лет после Большого взрыва эти два значения более или менее соответствуют друг другу.

Для беспечного ума обывателя промежуток времени от 3 до 50 миллиардов лет — это очень много. С астрономической точки зрения это совсем мало. В астрономии популярен логарифмический подход к времени, когда рассматриваемый промежуток для удобства делят на интервалы так, чтобы каждый последующий был больше предыдущего в десять раз. Сначала Вселенной было столько-то лет, потом она стала в десять раз старше, потом еще в десять раз старше и так до бесконечности — бесконечное количество умножений на десять. Предположим, мы начхали отсчитывать время в тот самый миг, который с точки зрения квантовой теории имеет хотя бы какое-то значение — в 10–43 секунд после Большого взрыва. Так как в каждом году примерно 30 миллионов секунд (если точнее, то их 3 х 107), нам нужно примерно 60 степеней десяти (1060), чтобы пройти путь от 10-43 секунд после Большого взрыва до 3 миллиардов лет спустя. Но нам требуется всего лишь чуть больше, чем умножить имеющееся на этот момент число еще на десять, чтобы проскочить отрезок от 3 до 50 миллиардов лет — а именно в этот промежуток времени Ω_Μ и Ω_Λ приблизительно равны. Еще дальше — и бесконечное количество степеней десяти открывают дорогу в бесконечное будущее. С такой логарифмической точки зрения вероятность того, что мы будем жить в космических условиях приблизительного равенства Ω_Μ и Ω_Λ ничтожно мала. Майкл Тернер, ведущий американский космолог, даже дал этому парадоксальному явлению — вопросу о том, почему нам довелось жить в эпоху приблизительного равенства Ω_Μ и Ω_Λ, — шуточное название «загадка Нэнси Керриган» в честь олимпийской чемпионки США по фигурному катанию, которая, получив удар по коленке перед выходом на лед на этапе чемпионата США., в слезах вопрошала: «Почему я? Почему сейчас?»[25]

Несмотря на то что космологам не удается вычислить такое значение космологической постоянной, которое хотя бы приблизительно походило на правду, у них есть ответ на загадку Нэнси Керриган. Правда, мнения о важности этого ответа и возможных из него выводах сильно расходятся. Одни принимают предлагаемые объяснения; другие внимают им весьма неохотно; третьи гарцуют вокруг да около; а четвертые отвергают полностью. Это объяснение связывает значение космологической постоянной с тем фактом, что вот они мы — живем именно на этой планете, вращающейся вокруг средней звезды в средней галактике именно сейчас. Аргумент следующий: раз мы существуем, значит, параметры, описывающие Вселенную, — и особенно величина космологической постоянной — обладают такими значениями, которые допускают наше существование.

Представьте, какой была бы Вселенная, в которой космологическая постоянная существенно превышала бы свое реальное значение. В разы большее количество темной энергии существенно увеличило бы значение Ω_Λ по сравнению с Ω_Μ, и на это не понадобилось бы 50 миллиардов лет — хватило бы всего нескольких миллионов. К этому времени в космосе, в котором преобладало бы ускорение — продукт темной энергии, — вещество разлетелось бы в разные стороны так быстро, что ни галактики, ни звезды, ни планеты просто не успели бы сформироваться. Если предположить, что от начала формирования первых небольших скоплений вещества до зарождения на Земле жизни прошло не менее одного миллиарда лет, мы можем достаточно уверенно заключить, что само наше существование ограничивает значение космологической постоянной до некой величины в промежутке от нуля до числа, в несколько раз превышающего ее реальное значение. Бесконечно большие значения она явно принимать не может.

Аргумент начинает выглядеть более весомо, если предположить вместе со многими космологами, что все, что мы с вами называем Вселенной, является частью гораздо более огромной мультивселенной (ее еще называют «мультиверс» — от англ. multiverse). Мультивселенная состоит из бесконечного множества вселенных, никаким образом друг с другом не взаимодействующих. Согласно концепции Мультивселенной, все устройство каждой отдельной вселенной — это высокая материя и некие высшие измерения, вследствие чего пространство нашей Вселенной недоступно ни какой другой вселенной — и наоборот. Это отсутствие даже гипотетического взаимодействия между ними ставит теорию Мультивселенной в число непроверяемых, а значит, неподтверждаемых (но и неопровергаемых!) гипотез, как минимум пока какие-нибудь мудрецы не найдут способа ее протестировать. В Мультивселенной новые вселенные зарождаются в произвольном порядке и с произвольной частотой, набухая за счет инфляции до гигантских размеров, но никак при этом не взаимодействуя с бесконечным количеством других вселенных.

В Мультивселенной каждая новая вселенная зарождается и существует по своим законам физики, обладая своими характерными космическими параметрами — включая те, что определяют такой вселенной значение космологической постоянной. У большого количества таких вселенных космологическая постоянная в разы превышает нашу — и они быстро разгоняются и разбегаются до состояния почти нулевой плотности вещества; жизни в таких вселенных просто не из чего появиться. Только в крошечной доле всех вселенных, составляющих Мультивселенную, комплекс условий складывается так, чтобы допустить возможность зарождения и существования жизни, потому что только эти несколько комплексов параметров позволяют веществу формировать галактики, звезды и планеты и дают возможность всем этим объектам существовать миллиарды лет.

Космологи называют такой подход к объяснению величины космологической постоянной антропным принципом, хотя термин «антропный подход» был бы, пожалуй, более уместен. У такого подхода к объяснению одного из ключевых вопросов в космологии есть одна несомненно привлекательная особенность: его любят ненавидят, но редко кто относится к нему равнодушно. Как и многие другие увлекательные идеи, антропный подход можно подгонять под разные теологические и телеологические системы мышления или делать вид, что он удачно «подгоняется». Некоторые религиозные фундаменталисты отмечают, что антропный принцип устройства Вселенной перекликается с их верованиями, потому что отводит человечеству центральную роль: если бы космос — по меньшей мере известный нам космос — некому было изучать и наблюдать, его бы не могло и не должно было «быть». Значит, некие высшие силы создали его таким, чтобы и нам нашлось в нем уютное местечко. Противник подобного хода мысли может сказать, что антропный принцип подразумевает совсем не это и на теологическом уровне этот вроде как аргумент в пользу существования Всевышнего указывает на невероятно нехозяйственного и расточительного Создателя, который зачем-то мастерит бесчисленное множество вселенных, из которых лишь крохотная часть способна создать условия зарождения жизни. Почему бы не избавиться от этого неловкого посредника и не следовать мифам и легендам о мироздании, которые сразу ставят человека во главу угла?

С другой стороны, если вы предпочитаете видеть Божественное провидение во всем, что вас окружает (как Спиноза, например), вы не устанете восхищаться Мультивселенной, в которой вселенные расцветают одна за другой, словно цветы. Как и большинство новостей с переднего края науки, концепцию Мультивселенной и антропного принципа можно с легкостью «склонять» по-своему, так, чтобы привести в соответствие с конкретной системой устоев и убеждений. Стивен Хокинг, обладатель почетной должности Лукасовского профессора Кембриджского университета по астрономии[26] (как и когда-то Исаак Ньютон до него), считает антропный подход превосходным решением загадки Нэнси Керриган. Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по физике за свои исследования и открытия в области физики элементарных частиц, недолюбливает этот подход, но тем не менее относит себя к его последователям, по крайней мере «пока» не будет предложено что-то более разумное.

Возможно, когда-нибудь история рассудит нас, показав космологам, что они занимались не той задачей в том смысле, что не до конца понимали, какая именно задача перед ними стоит. Вайнбергу нравится проводить аналогию с попыткой Иоганна Кеплера объяснить, почему у Солнца шесть планет (как тогда считали астрономы) и почему они вращаются именно на таких орбитах. С тех пор прошло 400 лет, а астрономы до сих пор знают слишком мало о происхождении планет, чтобы дать объяснение их числу в Солнечной системе. Мы знаем, что гипотеза Кеплера о том, что расстояния между планетами, вращающимися вокруг Солнца, можно объяснить возможностью вписать между соседними орбитами одно из пяти платоновых тел (или правильных многогранников), в корне неверна и не имеет ничего общего с реальным устройством Вселенной. Правильные многогранники вписываются меж орбит не так уж хорошо, и, что важно, у нас нет никакого повода считать, что орбиты планет должны следовать такому принципу формирования. Так что вполне возможно, что будущие поколения ученых будут видеть в космологах сегодняшнего дня этаких Кеплеров, старающихся изо всех сил объяснить пока необъяснимое с помощью тех инструментов для изучения и понимания Вселенной, что им уже доступны.

Не все однозначно одобряют антропный подход. Некоторые космологи критикуют его за пораженчество и антиисторичность (так как он идет вразрез с многочисленными историями успеха традиционной физики, которой не раз удавалось рано или поздно найти объяснение явлениям, до этого считавшимся мистическими); еще они называют его опасным — ведь от него попахивает креационизмом. Многие космологи также находят неприемлемым построение целой теории на предположении о том, что мы живем в Мультивселенной, состоящей из бесчисленного множества других вселенных, с которыми мы никак и ни при каких обстоятельствах не можем взаимодействовать, даже теоретически.

Дебаты, которые разворачиваются на фоне антропного принципа, лишний раз подчеркивают тот скептицизм, что лежит в основе научного подхода к пониманию Вселенной. Теория, которая нравится одному ученому (как правило, тому, кто ее придумал), может показаться абсурдной — да и просто в корне неверной — другому. При этом и тот и другой знают, что теории выживают и расцветают пышным цветом только тогда, когда ученые находят их наиболее эффективными в объяснении большей части полученных с помощью наблюдений данных. Как однажды сказал один известный ученый, «опасайтесь теории, которая способна объяснить все данные — ведь с немалой долей вероятности какие-то из них потом окажутся неверными».

Данное противоречие может так и остаться неразрешенным еще долгое время, но оно обязательно спровоцирует и другие попытки объяснить устройство Вселенной. Например, Пол Штайнхардт из Принстонского университета при поддержке Нила Тюрока из Кембриджского университета создал теоретическую экпиротическую модель Вселенной. Воодушевленный теорией струн (одним из весьма интересных разделов физики элементарных частиц), Штайнхардт предлагает нам Вселенную с 11 измерениями, большинство из которых «компактифицированы» — свернуты в пространстве, как носки в ящике, благодаря чему они занимают в нем не так уж много места. Но некоторые из таких измерений обладают реальными размерами и значением — мы просто не можем их обнаружить и оценить, потому что заточены в своем четырехмерном мире. Попробуйте представить, что все пространство нашей Вселенной представляет собой бесконечную и бесконечно тонкую плоскую поверхность (в данной модели сетка измерений насчитывает всего два, а не три измерения), а затем представьте еще одну такую листообразную поверхность — и то, как она приближается и сталкивается с первой. В момент самого столкновения происходит Большой взрыв, и пока эти плоскости удаляются друг от друга вследствие удара, история каждой из них идет своим чередом, давая жизнь галактикам и звездам. В какой-то момент эти две плоскости прекращают удаляться друг от друга и начинают снова двигаться друг другу навстречу — и рано или поздно мы получаем новое столкновение и новый Большой взрыв в каждой из них. Получается, что Вселенная циклична — она повторяется, пусть и в огромных временных масштабах, каждые несколько сотен миллиардов лет. С греческого языка слово «экпирозис» означает «возгорание» (однокоренное ему слово «пиротехника» вам наверняка знакомо), и поэтому фраза «экпиротическая Вселенная» напоминает каждому из нас, обладающему тайным знанием греческого, о том великом огне и той космически жаркой печи, в которой родилась в свое время та Вселенная, которую мы знаем сегодня.

У экпиротической модели Вселенной есть определенная эмоциональная и интеллектуальная привлекательность, которой, однако, оказалось недостаточно, чтобы завоевать умы и сердца многих коллег Штайнхардта из области космологии. Пока недостаточно, во всяком случае. Что-то отдаленно напоминающее такую экпиротическую модель может когда-нибудь оказаться тем самым прорывом в понимании происхождения и природы темной энергии, которого космологи, затаив дыхание, ждут уже столько лет. Даже те, кто поддерживает антропный подход к ее трактовке, вряд ли будут упрямиться, если появится новая теория, способная предложить хорошее объяснение тому, откуда и как берется космологическая постоянная, не прибегая к бесконечной веренице бесконечных вселенных, среди которых наша — просто особо удачливая. Как сказал как-то один из персонажей мультипликатора и художника Роберта Крама, «в каком же чудесном и безумном мире мы живем! Ура!».

Часть II

Происхождение галактик и структура Вселенной

Глава 7

Как были обнаружены галактики

Два с половиной столетия назад, незадолго до того, как английский астроном сэр Уильям Гершель собрал первый по-настоящему большой телескоп в мире, известная человеку Вселенная состояла всего лишь из звезд, Солнца и Луны, нескольких планет и нескольких спутников Юпитера и Сатурна, какого-то количества туманных объектов, а также Галактики, образующей молочно-белый пояс на талии ночного неба. Действительно, слово «галактика» переводится с греческого как «молоко». В небе были также обнаружены объекты неясного очертания, позднее названные туманностями[27] из-за того, что были до определенной степени бесформенными, например Крабовидная туманность в созвездии Тельца туманность Андромеды, уютно расположившаяся в пределах созвездия Андромеды.

Телескоп Гершеля был оснащен зеркалом шириной 48 футов[28] — беспрецедентный формат в 1789 году, когда он был сооружен. Из-за своей сложной системы балок и стоек, необходимой для закрепления и направления его под нужным углом, телескоп был весьма неповоротливым, но, направляя его в небо, Гершель мог сразу же увидеть бесчисленные звезды, образующие Млечный Путь. С помощью этого 48-футового гиганта и еще одного телескопа поменьше Гершель и его сестра Каролина составили первый подробный каталог северных туманностей дальнего космоса. Сэр Джон — сын Гершеля — тоже внес вклад в семейное дело, дополнив составленный отцом и тетей каталог северных объектов: во время своего пребывания на мысе Доброй Надежды на юге Африки он добавил в него более 1700 туманных объектов, которые можно было разглядеть из Южного полушария. В 1864 году сэр Джон собрал все семейные открытия и записи в единый реестр, который назвал «Общим каталогом туманностей и скоплений звезд». В него вошло более 5000 наименований.

Несмотря на столь внушительный объем данных, в то время никто не понимал истинной природы туманностей, не представлял, насколько далеко от Земли они расположены или чем отличаются друг от друга. Тем не менее вышедший в 1864 году каталог позволил классифицировать туманности по их морфологическим признакам, то есть в зависимости от формы. В духе лучших традиций бейсбольных судей (первые появились одновременно с тем, как вышел каталог Гершеля-младшего) ученые дали туманностям названия по принципу «что вижу, у, то и пою». Туманности спиральной формы получили название спиральных; те, что напоминали эллипс, стали эллиптических; а все остальные, обладавшие неопределенными формами, были названы неправильными. Они добрались и до маленьких округлых туманностей, напоминающих в объективе телескопа планеты, и назвали их планетарными, что потом регулярно сбивало с толку новичков в области астрономии.

На протяжении почти всей своей истории астрономия придерживалась максимальной прямолинейности, используя описательные методы изучения, во многом схожие с принятыми в ботанике. Вооружившись все увеличивающимся списком обнаруженных звезд и туманных объектов, астрономы искали в них сходства и различия, которые позволили бы классифицировать их тем или иным образом. Между прочим, это очень разумно. Многие люди с самого детства интуитивно склонны организовывать вещи согласно их внешнему виду и форме. Гершели предполагали, что раз уж наблюдаемые ими объекты занимают в ночном небе примерно одно и то же по размеру место, значит, они находятся на одном и том же расстоянии от Земли. По этой причине для них руководствоваться единым для всех туманностей принципом группирования и классификации было более чем естественно.

Однако это было грубой ошибкой — предполагать, что все туманности находятся на одном и том же расстоянии от нас. Природа бывает обманчива и даже коварна. Некоторые из туманностей в классификации Гершелей на самом деле находятся от нас не дальше, чем звезды, потому-то они столь малы (если, конечно, миллиарды километров от края до края — это «мало»). Другие туманности оказались гораздо дальше от нас, а это значит, что фактически они в разы крупнее тех туманных объектов, что находятся ближе (раз предстают перед нами в одном и том же размере).

Из этого важно вынести следующий урок: в какой-то момент нужно перестать зацикливаться на том, как выглядит тот или иной предмет, и начать спрашивать себя, что он из себя представляет. К счастью, к концу XIX века научный и технологический прогресс позволил астрономам поступить именно так: заняться чем-то более интересным и важным, чем раскладывание по папкам и полочкам содержимого нашей Вселенной. Этот сдвиг ознаменовал собой рождение астрофизики, которая представляет собой прикладное применение законов физики к ситуациям и явлениям астрономических масштабов.

В то время, когда сэр Джон опубликовал свой внушительный каталог туманностей, был изобретен новый научный прибор — спектроскоп. Его единственное назначение — разбивать свет на богатую палитру составляющих его цветов. Эти цвета и их свойства не только много рассказывают нам о химическом составе и строении света, но и благодаря явлению под названием «эффект Доплера» повествуют о движении источника света относительно Земли — навстречу нашей планете прочь от нее.

Спектроскопия показала ученым кое-что удивительное: почти все спиральные туманности, которых особенно много сразу за пределами Млечного Пути, на высоких скоростях постоянно удаляются от Земли. В противовес этому все планетарные туманности и почти все неправильные туманности движутся с относительно низкой скоростью — некоторые навстречу нам, другие прочь от нас. Может, в самом сердце Млечного Пути произошел какой-то катастрофический взрыв, мощность которого изгнала за его предел исключительно спиральные туманности? Может, мы как раз живем в момент (или, скорее, период) протекания этой катастрофы? Несмотря на технические инновации, которые в то время переживала фотография (включая появление пленок с эмульсионным покрытием более быстрого проявления) и которые позволили астрономам измерять спектр даже наиболее бледных туманностей, ответа на вопрос, почему они продолжают уходить от нас одна за другой, так и не находилось.

Большая часть прорывов в астрономии, как и в других науках, связана с появлением более совершенных технологий. На рубеже 1920-х годов в обиходе ученых появился еще один ключевой инструмент: 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон в окрестностях Пасадены, штат Калифорния, США. В 1923 году американский астроном Эдвин П. Хаббл с его помощью — а на тот момент это был самый большой телескоп в мире — обнаружил особый вид звезд, так называемые переменные звезды цефеиды, в туманности Андромеды. Переменные звезды любого типа обладают переменной светимостью, которая претерпевает изменения в соответствии с определенным циклом. Так, цефеиды, получившие свое название в честь одной из таких звезд, найденных в созвездии Цефея, отличаются исключительной светимостью (яркостью) и потому видны на очень далеких расстояниях.

Так как их светимость изменяется в рамках определенного цикла, терпение и упорство помогают дотошному наблюдателю обнаруживать все больше и больше таких звезд. Хаббл нашел несколько цефеид внутри Млечного Пути и прикинул их расстояние от Земли. К его изумлению, цефеида, обнаруженная им в туманности Андромеды, оказалась намного бледнее остальных.

Самое очевидное этому объяснение напрашивается само собой: новая переменная цефеида — как и ее «хозяйка» туманность Андромеды — находится гораздо дальше, чем цефеиды Млечного Пути. Хаббл понял, что его открытие отодвигает туманность Андромеды столь далеко, что она никак не может быть частью созвездия Андромеды, более того, она вообще не может входить в состав Млечного Пути; и если и был какой-либо (тогда предполагаемый) катастрофический инцидент, когда звездное молоко расплескалось за пределы Млечного Пути, то туманность Андромеды не могло просто выплеснуть из него вместе с ее спиральными сестрицами.

От напрашивающихся выводов захватывало дух. Открытие Хаббла показало, что спиральные туманности — это целые отдельные звездные системы, равноправные соседки Млечного Пути, в которых не меньше своих собственных звезд. Перекликаясь с идеей философа Эммануила Канта об «островных вселенных», полученные Хабблом данные демонстрировали, что за пределами нашей собственной звездной системы лежат десятки, а может, и сотни аналогичных систем — ведь цефеида в туманности Андромеды была тому лишь одним из множества сигнальных маяков. Туманность Андромеды оказалась галактикой Андромеды.

К 1936 году с помощью телескопа Хукера было обнаружено и задокументировано уже так много островных вселенных, что и Хабблу тоже захотелось попробовать себя в морфологии. Его анализ типов галактик основывался на непроверенном предположении, что различия в их формах отражают собой различные стадии в эволюции галактики, от рождения до смерти. В 1936 году в своей книге под названием «Царство туманностей»[29] он классифицировал галактики, разместив их вдоль схемы, по форме напоминавшей музыкальный камертон. Его рукоятка представляла собой эллиптические галактики (наименее вытянутые, почти круглые попали в дальний край этой рукоятки, а наиболее вытянутые — в то место, где у рукоятки соединяются две ножки камертона). Вдоль одной из ножек расположились обычные спиральные галактики: у рукоятки — особенно туго скрученные, а на кончике ножки — наиболее «расправленные» и свободные. Вдоль другой ножки камертона разместились спиральные галактики, центральный регион которых представляет собой некую «перемычку», в остальном же они не отличаются от обычных спиральных галактик.

Хаббл предположил, что галактики приходят в этот мир в форме эллипса и становятся все более и более плоскими, продолжая принимать свойственную им форму, пока в какой-то момент не обретают спиральную структуру, постепенно расправляющуюся с течением времени. Прекрасная идея. Красивая идея. Даже изящная. Но в корне неверная. Мало того, что в эту схему совершенно не вписывались неправильные галактики всех форм и размеров, так астрофизикам еще и предстояло в будущем определить, что возраст самых старых звезд в каждой из галактик примерно одинаков. Это означает, что все галактики зародились в одну и ту же эпоху в истории Вселенной и сами по себе приняли ту или иную форму.

На протяжении следующих 30 лет (какое-то количество возможностей было, безусловно, упущено из-за Второй мировой войны) астрономы наблюдали и описывали свойства галактик в соответствии с диаграммой Хаббла, разделяя их на эллиптические, спиральные и спиральные с перемычкой, также не забывая о неправильных галактиках как малом подвиде, которому непосредственно на диаграмме нет места из-за своих странных форм. Говоря об эллиптических галактиках, можно процитировать слова Ронда Рейгана о калифорнийских красных соснах: видел одну — считай, видел их все. Эллиптические галактики очень похожи одна на другую: у них нет ни спиральных ответвлений одноименных галактик, ни гигантских облаков межзвездного газа и пыли, из которых рождаются новые звезды. В таких галактиках новые звезды перестали формироваться миллиарды лет назад, оставив за собой сферические или эллипсоидные группы звезд. В крупнейших эллиптических галактиках, как и в крупнейших спиральных, насчитываются многие сотни миллиардов звезд — возможно, их даже миллиарды или триллионы, — а их диаметры равны примерно сотне тысяч световых лет. Никто, кроме профессиональных астрономов, никогда не вздыхал от умиления или восхищения, исследуя фантастические структуры и истории происхождения сложных звездных формирований, коими являются эллиптические галактики, по одной замечательной причине: как минимум в сравнении со спиральными у эллиптических галактик довольно простая форма и формирование звезд в них происходило довольно очевидным образом — все они рождались из газа и пыли, пока эти газ и пыль не закончились.

К счастью, спиральные галактики — и с перемычкой, и без нее — восполняют недостаток увлекательности эллиптических галактик. Самое яркое и однозначно незабываемое изображение галактики «со стороны», что нам когда-либо предстоит увидеть, — это фотография всего Млечного Пути, которую нам когда-нибудь, может, посчастливится сделать. Нужно только отправить фотоаппарат на несколько сотен тысяч световых лет выше или ниже центральной плоскости нашей Галактики — и полученные кадры непременно захватят дух и зажгут умы и сердца. Если учитывать, что самые продвинутые космические зонды, которыми располагает человечество, смогли преодолеть на сегодня от силы одну миллиардную долю этого расстояния, такая задача кажется категорически невыполнимой. Действительно, даже если бы зонд смог развить скорость, близкую к скорости света, нам пришлось бы ждать очень и очень долго — гораздо больше лет, чем на данный момент насчитывает наша история, доступная в документальном виде, — чтобы посмотреть на результат. Так что пока астрономам остается и дальше составлять карту Млечного Пути изнутри и делать наброски этого галактического леса, вычерчивая его звездные и туманные деревья одно за другим. На данный момент мы можем утверждать, что наша галактика очень похожа на ближайшую ее соседку — огромную спиральную Галактику Андромеды. Удобно расположенная в 2,4 миллиона световых лет от нас, галактика Андромеды предоставила нам огромное количество бесценной информации о базовых структурных свойствах спиральных галактик, а также о различных типах звезд и об их эволюции. Так как все звезды галактики Андромеды находятся на одном и том же расстоянии от нас (плюс-минус несколько процентов), астрономы знают, что яркость сияния этих звезд напрямую связана с мощностью их излучения, то есть с тем количеством энергии, что они излучают каждую секунду. Астрономы не могут оперировать данным фактом, изучая объекты в собственном Млечном Пути, но он превращается в доступный инструмент исследования всех остальных галактик, позволяя сформулировать ряд ключевых выводов о звездной эволюции с гораздо меньшими трудозатратами, чем при изучении объектов Млечного Пути. Количество звезд, формирующих собой пару эллиптических галактик-спутников, вращающихся вокруг галактики Андромеды, составляет собой лишь несколько процентов от числа звезд самой Андромеды; но и они стали нас источниками важной информации о том, как живут звезды, и о том, как формируются структуры эллиптических галактик. Ясной ночью, подальше от городских огней, старательный наблюдатель, знающий, куда смотреть, сможет найти в небе размытые контуры галактики Андромеды — самого далекого космического объекта из тех, что можно разглядеть невооруженным глазом. Она сияет светом, оставленным ею во Вселенной по мере удаления от нас еще тогда, когда наши с вами предки учились собирать ягоды и коренья в африканских ущельях.

Как и Млечный Путь, галактика Андромеды лежит примерно в середине одной из «ножек камертона» диаграммы Хаббла: она не слишком туго скручена и не особо расправлена с точки зрения своей формы. Если бы галактики были животными в зоопарке, все эллиптические галактики поместились бы в одной клетке, а вот спиральным галактикам понадобилось бы несколько полноценных вольеров. Изучать полученное с помощью телескопа Хаббла изображение одного из таких существ, которые позволяют нам увидеть себя с расстояния 10–20 миллионов световых лет (и это самые близкие из них), — значит шагнуть в невероятно насыщенный возможностями визуальный мир, столь непохожий на жизнь на Земле и столь замысловатый по структуре, что неподготовленный ум может пошатнуться от потрясения же просто запустить защитный механизм, напоминая своему хозяину, что все это все равно не имеет ни малейшего применения на практике.

Неправильные галактики — эти сироты галактической классовой иерархии — составляют около 10 % всех галактик; все остальные — это преимущественно спиральные и некоторое количество эллиптических. В отличие от эллиптических, неправильные галактики зачастую содержат пропорционально больше газа и пыли, чем спиральные, и в них формирование новых звезд идет наиболее динамично. У Млечного Пути есть две крупные галактики-спутника — обе неправильные, в свое время их ошибочно назвали Магеллановыми Облаками. Первыми, кто обратил на них внимание, были моряки, принимавшие участие в кругосветном плавании Магеллана в 1520 году. Они подумали, что видят клочья облаков в ночном небе. Экспедиции Магеллана выпала честь увидеть их потому, что Магеллановы Облака расположены так близко к Южному полюсу небесной сферы (речь идет о точке прямо над Южным полюсом Земли), что они никогда не оказываются над линией горизонта, которую могут видеть наблюдатели наиболее густонаселенных широт Северного полушария, включая жителей Европы и большей части США. В каждом из Магеллановых Облаков — миллиарды и миллиарды звезд, но все же не сотни миллиардов, что характерно для Млечного Пути и других крупных галактик. В них также можно обнаружить поистине монументальные регионы формирования звезд — самый известный из них называется Тарантулом и расположен в Большом Магеллановом Облаке. Эта галактика также знаменательна тем, что в ее составе была обнаружена самая близкая к нам и самая яркая сверхновая звезда за последние 300 лет: она называется сверхновой 1987A (или SN 1987A). На самом деле она должна была взорваться примерно за 160 000 лет до н. э., чтобы в 1987 году ее свет смог наконец достигнуть Земли.

До 1960-х годов астрономов устраивала классификация галактик как спиральных, спиральных с перемычкой, эллиптических и неправильных. И правда была на их стороне, ведь более 99 % всех известных галактик можно было отнести к одному из этих классов. (Нельзя не признать, что это вообще беспроигрышный ход — назвать один из классов неправильными галактиками.) Но в то десятилетие американский астроном Хэлтон Арп стал настоящим чемпионом по обнаружению галактик, которые никак не хотели вписываться в относительно простую диаграмму Хаббла (даже с учетом удобного «неправильного» класса). Словно взяв на вооружение строки «отдайте мне всех тех, кого гнетет жестокость вашего крутого нрава, — изгоев, страстно жаждущих свобод»[30], Арп воспользовался крупнейшим в мире телескопом — 200-дюймовым телескопом Хейла из Паломарской обсерватории (недалеко от Сан-Диего, штат Калифорния), чтобы запечатлеть на фото 338 исключительно неисправных на вид звездных систем. Издание «Атлас пекулярных галактик», вышедшее в 1966 году, стало настоящим сундуком сокровищ, каждое из которых прекрасный пример того, что в нашей Вселенной может пойти не так. Хотя «пекулярные галактики»[31] (галактики настолько странной формы, что их нельзя отнести даже к неправильным) и составляют крошечную долю всех галактик Вселенной, они представляют собой важный источник информации о том, какие нарушения в формировании галактик возможны в принципе. Например, оказалось, что многие странные галактики из «Атласа» являются совмещенными останками двух когда-то независимых друг от друга галактик, которые в какой-то момент столкнулись. Получается, что пекулярные галактики не всегда являются новым видом галактик, по крайней мере их столь же трудно отнести к новому виду, как и побывавший в аварии «Лексус» на основании того, что он уже не очень похож на новый, только что сошедший с конвейера.

Чтобы наблюдать, как разворачиваются подобные космические аварии, потребуется гораздо больше, чем карандаш и бумага: в обеих галактических системах есть свои звезды, а у каждой звезды — своя гравитация, и это одновременно оказывает воздействие на все остальные звезды обеих систем. Короче, вам потребуется компьютер. Столкновение галактик — это величественное зрелище, которое занимает сотни миллионов лет от начала и до конца. С помощью компьютерной симуляции вы можете запустить и в любой момент поставить на паузу процесс столкновения двух галактик, «фотографируя» происходящее, скажем, каждые 50 или 100 миллионов лет. Перед вашими глазами будут постоянно происходить изменения. Вот вы уже приоткрыли «Атлас» Хэлтона Арпа — вуаля! — и вот уже пошла ранняя стадия столкновения, а на следующей странице наступит и более поздняя стадия. Вот небольшое сотрясение, вот удар по касательной, а вот и лобовое столкновение!

Первые подобные компьютерные симуляции были выполнены в 1960-е годы, хотя еще в 1940-х годах шведский астроном Эрик Хольмберг сделал хитрую попытку воссоздать столкновение галактик «на коленке», используя свет в качестве аналога гравитационного взаимодействия. В 1972 году братья Алар и Юри Тумре, преподаватели Массачусетского технологического института, представили первое убедительное изображение «нарочито упрощенного» столкновения двух спиральных галактик. Модель Тумре показала, что приливные силы — различия в величине гравитации от одного участка пространства к другому — могут в буквальном смысле разорвать галактику на части. По мере приближения одной галактики к другой гравитация вдоль их внешних границ стремительно возрастает, растягивая и искажая обе галактики в процессе их движения мимо или сквозь друг друга. Это растягивание и искажение является первоосновной причиной формирования тех самых пекулярных галактик из «Атласа» Арпа.

Как еще можно использовать компьютерные симуляции для лучшего понимания природы галактик? Камертон Хаббла подчеркивает разницу между «обычными» спиральными галактиками и теми, у которых в середине имеется плотная перемычка из звезд, словно прочерченная линия. Симуляции показали нам, что данная перемычка может с немалой вероятностью оказаться временным элементом структуры галактики, а не полноправным свойством, позволяющим выделить такие галактики в отдельный вид. Возможно, сегодняшние наблюдатели за галактиками с перемычкой просто видят их на том этапе, когда эта перемычка у них еще есть; возможно, через 100 миллионов лет ее уже не будет. Но мы не можем позволить себе задержаться на сотню миллионов лет, чтобы проверить, не исчезнет ли перемычка, — зато у нас есть компьютеры, которые способны сократить временные отрезки в миллиард лет до нескольких минут.

Пекулярные галактики Арпа оказались лишь верхушкой айсберга — странным миром этаких «не совсем галактик», чьи очертания астрономы впервые разглядели в 1960-х годах, а еще несколько десятков лет спустя научились немного понимать. Прежде чем объяснить истинную важность и ценность этого галактического зоопарка, следует все же вернуться к истории эволюции космоса. Нам предстоит изучить происхождение всех галактик — обычных, почти обычных, неправильных, пекулярных и радикально экзотических, чтобы узнать, как они зарождались, узнать, как так вышло, что нам повезло оказаться в этом относительно спокойном уголке космоса, где мы парим на окраине огромной спиральной галактики, примерно в 30 тысячах световых лет от ее центра и в 20 тысячах световых лет от ее зыбкого периметра. Благодаря общепринятому в спиральных галактиках порядку вещей, которому в первую очередь были вынуждены подчиниться газовые облака, что позднее превратились в звезды, наше Солнце сегодня вращается вокруг центра Млечного Пути по практически идеальной круговой орбите, каждое «кругосветное» путешествие занимает у него 240 миллионов лет (это иногда называется космическим годом). Сегодня, через 20 космических лет после своего рождения, Солнце вполне бодро продолжает движение, и его запала должно хватить еще как минимум на столько же.

А мы с вами пока узнаем о том, откуда в нашей Вселенной произошли галактики.

Глава 8

Происхождение структуры

Изучая историю происхождения и эволюции вещества во Вселенной, мы стремимся заглянуть как можно глубже в ее прошлое, насчитывающее 14 миллиардов лет, и тут же сталкиваемся с тенденцией, требующей разъяснения. В каждом уголке нашего необъятного космоса вещество всегда стремилось объединиться в структурные объекты. Начиная с почти идеально равномерного распределения в пространстве сразу после Большого взрыва, на протяжении всей своей истории частицы вещества тянутся друг к другу в самых разных масштабах, образуя гигантские кластеры и суперкластеры галактик, а также отдельные галактики внутри этих кластеров, отдельные звезды, из миллиардов которых формируются эти галактики, и все остальные еще меньшие объекты — планеты, их спутники, астероиды и кометы, что вращаются вокруг большей части (если не всех без исключения) звезд.

Чтобы понять происхождение тех объектов, из которых сегодня состоит обозримая Вселенная, нам следует сосредоточиться на механизмах, что когда-то преобразовали диффузную материю в многочисленные сложные структуры. Если мы хотим получить полноценное описание того, как в космосе смогли сформироваться отдельные структуры, потребуется каким-то образом срастить два свойства реального мира, взаимодействие которых пока ускользает от нас. Как уже говорилось в предыдущих главах, нам нужно понять, как квантовая механика, описывающая поведение молекул, атомов и образующих их частиц, соотносится с общей теорией относительности, которая диктует нам условия и способы взаимодействия между космически огромными объемами вещества и мировым пространством.

Первые попытки создать единый теоретический свод знаний о субатомном малом и об астрономическом большом делал еще Альберт Эйнштейн. С относительно невзрачным успехом они совершаются и по сей день — и так будет еще долго, пока не состоится то самое «великое объединение». Среди всех неизвестностей и загадок, в которых вынуждены жить современные космологи, отсутствие единого свода законов физики для квантовой механики и общей относительности задевает их, несомненно, больше всего. Тем временем эти никак не поддающиеся смешению области физики — наука о малом и наука о большом — равнодушны к нашему невежеству и нашим мучениям: вместо этого они с удивительным успехом продолжают существовать бок о бок внутри одной Вселенной, снисходительно насмехаясь над нашими попытками сделать из них единое целое. Галактике из сотни миллиардов звезд неинтересно, как работают законы физики, согласно которым существуют и взаимодействуют атомы и молекулы, составляющие все ее звездные системы и газовые облака. Столь же равнодушны к этим процессам и более крупные скопления вещества, которые мы называем галактическими кластерами и суперкластерами, которые, в свою очередь, состоят из сотен и даже тысяч самостоятельных галактик. Но ведь самим своим существованием эти крупнейшие структуры во Вселенной обязаны тем самым крошечным квантовым флуктуациям первозданного космоса. Чтобы понять, как могли сформироваться эти структуры, нам нужно приложить максимум усилий с учетом наших общих сегодняшних неосведомленности и даже невежества для того, чтобы проследить всю цепочку трансформаций и явлений, весь путь от крохотных частиц, живущих по законам квантовой механики и являющихся ключом к разгадке самого происхождения структуры во Вселенной, до тех громадных объектов, в жизни которых главную роль играет не квантовая механика, а законы и закономерности общей теории относительности.

Таким образом, нам предстоит рассмотреть структурированную Вселенную сегодняшнего дня как итог неких преобразований, через которые прошло все ее содержимое с момента Большого взрыва. Любая попытка нащупать происхождение структур в нашем мире в прошлом невозможна без учета того, в какой Вселенной мы живем в настоящее время. Но даже при выполнении столь скромной задачи астрономы и космологи не избежали ряда фальстартов и ошибок, которые мы (хотелось бы верить!) уже оставили позади, чтобы отныне шагать вперед в ярком свете верных представлений о мироздании.

На протяжении большей части истории современной космологии астрофизики предполагали, что распределение вещества во Вселенной можно охарактеризовать как гомогенное и изотропное. В гомогенной Вселенной любое место выглядит так же, как и любое другое, — как две капли гомогенизированного молока. Изотропная Вселенная выглядит одинаково с любой точки обзора в любой заданный момент времени, простираясь от наблюдателя во все стороны. На первый взгляд может показаться, что это одна и та же концепция, однако это не так. Например, линии долготы на Земле не являются гомогенными, потому что в одних местах они дальше друг от друга, чем в других, при этом в двух точках — на Северном и Южном полюсах — они изотропны, потому что там все линии долготы сходятся. Если встать «сверху» «снизу» мира, сетка линий долготы будет выглядеть совершенно одинаково, куда бы вы ни посмотрели. Есть и другой пример: представьте себя на вершине идеально ровной конусообразной горы — единственного предмета рельефа в целом мире. С такой «жердочки», куда бы вы ни повернулись, Земля выглядела бы совершенно одинаково. Так же дела обстояли бы, если бы вы жили в самом центре круглой мишени для стрельбы и если бы вы были пауком в центре идеально симметричной паутины. Во всех этих случаях ваш обзор был бы изотропным, но определенно не гомогенным.

Пример гомогенной, но не изотропной ситуации — стена традиционной кладки из совершенно одинаковых прямоугольных кирпичей, такая, где каждый горизонтальный ряд словно сдвинут вправо влево на полкирпича относительно предыдущего ряда. В масштабе нескольких расположенных поблизости друг от друга кирпичей и скрепляющего их раствора стена выглядит одинаково, какой ее участок ни выбери — кирпичи да кирпичи, — но взгляд, направленный в какую-либо сторону из разных точек на такой стене, будет натыкаться на разные узоры линий цементного раствора; изотропии не получится.

Самое интересное заключается в том, что математический анализ сообщает: космос может быть гомогенным только в том случае, если он окажется одновременно и изотропным. Еще одна формальная математическая теорема подсказывает нам, что если космос оказывается изотропным в любых трех своих точках, то его изотропия повсеместна. А ведь кто-то отвергает науку математику как «неинтересную» и «неэффективную»!

Хотя космологи и предположим в первую очередь именно с эстетической точки зрения, что распределение вещества во Вселенной гомогенно и изотропно, со временем они приняли эту идею и в качестве фундаментального космологического принципа. Можем назвать его принципом заурядности: с чего бы это одной части Вселенной быть более интересной, чем другой? В малых масштабах расстояний и размеров ошибочность этого заявления сразу бросается в глаза. Мы с вами живем на твердой планете, где средняя плотность вещества составляет 5,5 грамма на кубический сантиметр (фанатам американской системы мер будет понятнее формулировка «340 фунтов на кубический фут»). Средняя плотность вещества на Солнце, типичной звезде нашей системы, составляет 1,4 грамма на кубический сантиметр. Межпланетное пространство между ними при этом отличается существенно меньшей средней плотностью вещества — она примерно в один миллиард раз меньше. Межгалактическое пространство, занимающее большую часть объема всей Вселенной, содержит менее одного атома вещества на каждые десять кубических метров. Здесь средняя плотность вещества еще в один миллиард раз ниже, чем в межпланетном пространстве, — от этих чисел даже начинает казаться, что фразу «Ты довольно плотный!..» следует воспринимать исключительно как комплимент.

Раздвигая горизонты своих научных знаний, астрофизики обратили внимание на то, что галактики вроде нашего родного Млечного Пути состоят из звезд, которые «парят» в практически пустом межзвездном пространстве. Соответственно, и галактики тоже объединяются в кластеры, что напрямую нарушает условия как гомогенности, так и изотропии Вселенной. Но оставалась надежда, что стоит астрофизикам нарисовать подробную карту распределения вещества во Вселенной в самых крупных масштабах, как они заметят, что сами по себе галактические кластеры распределены в ней гомогенно и изотропно. Для того чтобы гомогенность и изотропия могли одновременно существовать в конкретно взятом регионе космоса, он должен быть настолько крупным, чтобы внутри него нельзя было обнаружить какие-либо уникальные структуры (или уникальное отсутствие структур). Возьмем какой-то условный фрагмент такого региона: условия гомогенности и изотропии диктуют нам, что общие свойства такого региона должны быть тождественны средним свойствам любого фрагмента из любой части данного региона. Было бы как-то неловко, если бы правая часть Вселенной выглядела совсем не так, как левая, правда?

Какого же размера регион нужно изучить, чтобы обнаружить гомогенную и изотропную Вселенную? Диаметр нашей планеты Земля составляет 0,04 световой секунды. Орбита Нептуна занимает в пространстве 8 световых часов. Звезды Млечного Пути образуют собой широкий и плоский диск примерно в 100 тысяч световых лет от края до края. Галактический суперкластер Девы, в который в том числе входит и наш Млечный Путь, достигает в ширину 60 миллионов световых лет. Получается, что подходящий объем, который, возможно, позволит нам обнаружить гомогенность и изотропию во Вселенной, должен превышать собой объем суперкластера Девы. Когда астрофизики занялись исследованием распределения галактик в космическом пространстве, они обнаружили, что даже в столь гигантских масштабах — вплоть до сотни миллионов световых лет — Вселенная местами и временами демонстрирует нам огромные и относительно пустые пробелы в содержимом, окруженные галактиками, которые выстроились вокруг этих «пробелов», по структуре напоминая пересекающиеся листы бумаги или волокна. Нисколько не похожее на бурлящий энергией гомогенный космический муравейник, распределение галактик в таком масштабе напоминает собой большую банную мочалку.

Однако космологам в итоге удалось создать такую карту, в которой гомогенность и изотропия были несомненны. Оказывается, если взять фрагмент Вселенной шириной примерно 300 миллионов световых лет, он будет удивительно похож на любой такой же фрагмент из другого ее региона. Желанный и долгожданный критерий гомогенности был достигнут. Однако в более скромных масштабах все неравномерно распределенное вещество до сих пор выглядит более чем негомогенным и неизотропным.

Три столетия назад Исаак Ньютон задумался над тем, как могло вещество обрести структуру. Его изобретательный ум с легкостью принял концепцию изотропной и гомогенной Вселенной, но в нем не мог не прозвучать вопрос, который многие из нас себе и не задали бы: «Как можно сформировать какую бы то ни было структуру во Вселенной так, чтобы все составляющее ее вещество не собралось при этом в единую целую массу гигантских размеров?» Ньютон считал, что, раз мы такого во Вселенной не наблюдаем, значит, она бесконечна. В 1692 году в своем письме к Ричарду Бентли, одному из магистров Тринити-колледжа (или колледжа Святой Троицы) Кембриджского университета, Ньютон выдвинул следующее предположение.

«Мне кажется, что, если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно в небесных глубинах, и если бы каждая частица имела врожденное тяготение ко всем остальным, и если бы, наконец, пространство, в котором рассеяна эта материя, было конечным, вещество снаружи этого пространства благодаря указанному тяготению влеклось бы ко всему веществу внутри и вследствие этого упало бы в середину всего пространства и образовало бы там одну огромную сферическую массу. Однако, если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству) оно никогда не могло бы объединиться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству.»[32]

Ньютон также предполагал статичность своей бесконечной Вселенной — она не расширялась и не сжималась. В такой Вселенной объекты «порождались» силами тяготения, тем притяжением, что каждый объект, обладающий массой, выказывает всем другим объектам системы. Его заключение о центральной роли гравитации в зарождении структуры пространства актуально и сегодня, хотя перед современными космологами стоит гораздо более тяжелая задача, чем в свое время перед Ньютоном. Вместо того чтобы наслаждаться теми удобствами, которые предлагала бы нам статическая Вселенная, мы вынуждены ни на минуту не забывать о том, что она, начиная непосредственно с момента Большого взрыва, постоянно расширяется, а это естественным образом препятствует скапливанию вещества в единую массу под воздействием гравитации. Задача по преодолению настойчивого противостояния космического расширения каким-либо гравитационным процессам встает еще более остро, когда вспоминаешь, что Вселенная выросла в размерах особенно стремительно в ближайшее после Большого взрыва время — и именно в ту эпоху начали формироваться первые ее структуры. На первый взгляд рассчитывать на то, что в тот период гравитации хватит на формирование огромных объектов из диффузного газа, глупо. Но каким-то образом гравитации это удалось!

В своем самом нежном возрасте Вселенная разрослась столь быстро, что, если бы она была строго однородной и изотропной в — любых своих масштабах, гравитация просто не смогла бы одержать победу над расширением. Сегодня в мире не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет или людей, только атомы равномерно заполняли бы собой мировое пространство. В этом скучном и неинтересном космосе не было бы ни одного восхищенного наблюдателя и ни одного достойного восхищения объекта. Но мы живем в веселой и увлекательной Вселенной именно потому, что в эти самые первые мгновения ее существования появились неоднородность и анизотропия вещества. Это как если бы из некоего бульонного кубика планировалось приготовить космический бульон из вещества и энергии самых разных концентраций. Если бы не этот бульонный кубик, стремительно расширяющаяся Вселенная не позволила бы гравитации стянуть хоть сколько-нибудь вещества в единые объекты и позднее сформировать знакомые нам структуры, которые мы сегодня частенько принимаем как должное, не задумываясь об их происхождении во Вселенной.

Откуда взялись эти отклонения — образцы негомогенности и анизотропии, ставшие семенами всей структуры нашей Вселенной? Ответ можно найти в царстве квантовой механики — Исааку Ньютону такое и присниться не могло, но это нужно нам того, чтобы понять, откуда мы появились в этом мире. Квантовая механика сообщает, что в самых крошечных масштабах сохранить гомогенность и изотропию распределения вещества невозможно. Вместо этого нам предлагаются произвольные колебания в его распределении — компоненты приходят, уходят и возвращаются, и вещество начинает напоминать собой дрожащую массу исчезающих и возрождающихся частиц. В каждый конкретно взятый момент времени в одних регионах космоса частиц было чуть больше, чем в других, то есть плотность вещества там была выше. Из этой противоречащей здравому смыслу и в целом оторванной от реальности фантазии следует все, что мы имеем на сегодня, — все, что существует в мире. У чуть более плотных регионов было больше шансов привлечь к себе дополнительные частицы с помощью силы тяготения, после чего их шансы только возросли… и так до тех пор, пока из соответствующих мест изначально чуть большего скопления вещества не сформировались определенные структуры.

Стремясь отследить формирование структур с эпох, последовавших вскоре за Большим взрывом, мы можем узнать кое-что полезное, если обратимся к уже знакомым нам двум ключевым вехам истории Вселенной: эпохе инфляции, когда она расширилась с выдающейся скоростью, и эпохе отсоединения примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда реликтовое излучение перестало взаимодействовать с веществом.

Эпоха инфляции длилась где-то между 10-37 и 10-33 секундами после Большого взрыва, в этот относительно короткий срок канва пространства и времени расширялась быстрее скорости света — за одну миллиардную долю одной триллионной одной триллионной доли секунды она выросла от размера в одну сотню миллиардов миллиардов раз меньшего, чем протон, до примерно 4 дюймов[33] в диаметре. Да, наша Вселенная когда-то была размером с грейпфрут. Но что же стало причиной этой инфляции? У космологов есть главный подозреваемый — фазовое превращение, оставившее за собой видимый след в космическом реликтовом излучении.

Фазовые превращения (или переходы) встречаются отнюдь не только в космологическом контексте, например они часто происходят у нас дома. Мы замораживаем воду, чтобы получить кубики льда, кипятим воду, чтобы получить пар. Сладкая вода способна вырастить сладкие кристаллы на опущенной в нее нитке, а влажное и липкое тесто превращается в пирог, стоит подержать его немного в духовке. Заметили характерную тенденцию? В каждом случае подопытный материал очень сильно различается до и после перехода. Инфляционная модель Вселенной утверждает, что, когда Вселенная была юной, преобладающее в ней энергетическое поле претерпело фазовый переход — один из нескольких, что могли произойти в те далекие времена. Это конкретное событие не только запустило раннее и суперскоростное расширение Вселенной, но и наделило ее особенной тенденцией к переменному формированию более и менее богатых на вёщество регионов. Эти переменные колебания впечатались в расширяющуюся канву пространства, создавая что-то вроде чернового наброска для будущего расположения галактик, которым еще только предстояло сформироваться. В лучших традициях Пу-Ба, персонажа из оперы Гильберта и Салливана «Микадо», который с гордостью отследил свое происхождение до «первозданной горстки атомов», мы тоже можем списать свое происхождение и начало формирования всех структур на колебания распределения вещества в субъядерном масштабе, которые имели место быть в эпоху инфляции.

Какие факты можно привести в поддержку этого смелого заявления? У астрофизиков нет возможности заглянуть в прошлое вплоть до первой в истории Вселенной 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 секунды, поэтому им остается лишь основная тому альтернатива — использовать научную логику для того, чтобы связать ту раннюю эпоху с другими, наблюдать за которыми у них возможность есть. Если теория инфляции верна, тогда изначальные колебания, образовавшиеся в ту эпоху (как неизбежное отражение законов квантовой механики, которая утверждает, что небольшие вариации плотности в целом гомогенной и изотропной жидкости время от времени неизбежны), вполне могли стать основой для формирования регионов с различной степенью концентрации вещества и энергии. Мы можем надеяться обнаружить доказательства таких вариаций где-то в реликтовом излучении, служащем авансценой, отделяющей текущую эпоху от первых моментов жизни новорожденной Вселенной и одновременно с этим помогающей связать одно с другим. Как мы уже знаем, реликтовое излучение состоит из фотонов, образовавшихся в первые несколько минут после Большого взрыва. В самом начале истории Вселенной эти фотоны еще взаимодействовали с веществом, врезаясь в любые атомы, что умудрялись сформироваться, на полной скорости — и так энергично, что атомы распадались обратно под этой бурной атакой. Но непрекращающееся расширение Вселенной, по сути, отобрало у фотонов их энергию. В конце концов в момент наступления эпохи отсоединения ни у одного из таких фотонов уже не хватало энергии на то, чтобы прерывать движение электронов по своим орбитам вокруг протонов и ядер гелия. С тех самых пор, начиная примерно с 380 тысяч лет после Большого взрыва, атомы непоколебимы, за исключением некоторых локальных нарушений вроде излучения близлежащей звезды. В свою очередь, фотоны, продолжающие все дальше терять энергию, так и путешествуют по Вселенной, формируя во всем своем множестве то самое фоновое космическое, или реликтовое, излучение.

Реликтовое излучение — это историческое вещественное доказательство, своеобразная фотография того, как выглядела Вселенная в эпоху отсоединения. Астрофизики научились изучать эту фотографию с все возрастающей точностью. Во-первых, сам факт существования реликтового излучения доказывает, что их базовое понимание устройства и истории Вселенной верно. Во-вторых, они провели многие годы, совершенствуя свои навыки и методики измерения этого самого реликтового излучения, и их замысловатые аэростаты и спутники подарили им карту микроскопических отклонений реликтового излучения от своей общей однородности. Эта карта словно документ, отражающий крохотные в прошлом колебания, размеры которых возрастали — по мере расширения Вселенной в течение первых нескольких сотен тысяч лет после эпохи инфляции и доросли — за следующий миллиард лет или около того — до космических масштабов распределения вещества во Вселенной.

Каким бы удивительным это ни казалось, реликтовое излучение — тот самый инструмент, который позволяет нам выявить следы давным-давно исчезнувшей в реальности Вселенной и определить местонахождение вплоть до расстояний в 14 миллиардов световых лет в любом от нас направлении — регионов чуть большей плотности вещества: им-то и предстоит стать галактическими кластерами и суперкластерами. Регионы с плотностью вещества чуть выше среднего оставили за собой чуть больше фотонов, чем регионы с плотностью чуть ниже средней. В то время как Вселенная неумолимо обретала прозрачность, что происходило за счет постепенной утраты фотонами энергии (из-за чего они все хуже взаимодействовали с формирующимися атомами), каждый фотон отправлялся в путешествие, уносясь очень и очень далеко. Наше непосредственное окружение (в космосе) покинуло множество фотонов, которые в течение 14 миллиардов световых лет разбегались от нас во всех направлениях, становясь частью реликтового излучения, которое, возможно, в этот самый момент изучают сторонние наблюдатели — представители далеких неземных цивилизаций на том краю Вселенной, а «их» фотоны, в свою очередь, добравшись до нас, рассказывают нам о том, как обстояли дела в далеком и глубоком прошлом — в те времена, когда наша Вселенная лишь начинала обретать свою структуру.

Начиная с 1965 года, когда впервые было обнаружено реликтовое излучение, астрофизики вот уже более четверти века пребывают в поисках в нем анизотропий. С теоретической точки зрения найти их — острая необходимость, потому что без наличия в реликтовом излучении анизотропий на уровне нескольких сотенно-тысячных долей вся их базовая модель о зарождении структуры потеряет актуальность. Без тех крошечных посевов вещества, о которых говорят отклонения от равномерного распределения реликтового излучения, у нас нет никакого объяснения того, почему мы с вами существуем. И ученым снова повезло! Обнаружение анизотропий состоялось словно по заранее оговоренному расписанию. Как только космологам удалось создать инструменты, способные обнаружить анизотропии на соответствующем уровне, они их и обнаружили: сначала с помощью спутника COBE в 1992 году, а затем и при участии много более точных инструментов, увлекаемых в небо аэростатами, и, конечно же, спутника-зонда WMAP из главы 3. Крошечные разночтения в локальной концентрации микроволновых фотонов, образующих собой реликтовое излучение, определенные с впечатляющей точностью спутником WMAP, несут в себе, как записи в личном дневнике Вселенной, картину космических флуктуаций в то время, когда после Большого взрыва прошло 380 тысяч лет. Типичные колебания приходятся всего лишь на несколько сотенно-тысячных долей градуса — выше или ниже средней температуры реликтового излучения, поэтому находить их — словно выискивать едва различимые пятна масла на поверхности пруда диаметром в одну милю, делающие местами воду лишь чуть более плотной на вид. Как бы малы ни были эти анизотропии, их оказалось достаточно для того, чтобы запустить механизм формирования структуры.

Спутник помог создать карту реликтового излучения, на которой более крупные и «горячие» участки соответствуют тем регионам, в которых гравитация смогла преодолеть процесс постоянного расширения Вселенной и собрать в одном месте достаточное количество вещества, чтобы в итоге создать из него галактические суперкластеры. Сегодня эти регионы вмещают в себя около тысячи галактик каждый, а каждая такая галактика состоит из сотен миллиардов звезд. Если мы добавим нужное количество темной материи в такой среднестатистический суперкластер, его суммарная масса достигнет величины, равнозначной массе 1016 Солнц. Соответственно, более крупные и «прохладные» участки, лишенные возможности противостоять расширению Вселенной, в итоге превратились в огромные пустоты, практически лишенные каких-либо крупных структур. Астрофизики называют такие регионы «войдами»[34]: сам термин подразумевает, что такой космический участок окружают непустые «не войды». Получается, что гигантские стены и нити галактик, которые мы видим в небе, не только формируют кластеры в местах своего пересечения, но и очерчивают собой самые причудливые с точки зрения геометрии границы космических пустырей.

Галактики не появились просто так, сами по себе, не сформировались полностью в мгновение ока из скоплений вещества, чуть более концентрированных, чем в среднем по Вселенной. Начиная с 380 тысяч лет после Большого взрыва и еще примерно в течение 200 миллионов лет после этого вещество продолжало понемногу накапливаться, но в той Вселенной еще ничего не сияло — ее первым звездам пока только предстояло появиться на свет. В эту темную эпоху космической истории во Вселенной было только то, что она произвела в первые несколько минут своего существования: водород и гелий, а также ничтожное количество лития. Более тяжелых химических элементов (углерода, азота, кислорода, натрия, кальция и т. д.) еще просто не было, и в космосе не нашлось бы ни одной из широко известных сегодня молекул атомов, которые могли бы поглощать Излучение новорожденной звезды. Сегодня, в присутствии таких молекул и атомов, свет заново сформировавшейся звезды оказывает на них давление, отталкивая от себя огромные объемы газа, который в противном случае упал бы на саму звезду. Подобное отталкивание накладывает естественное ограничение на максимально возможную массу новорожденной звезды: она составляет менее одной сотой доли от массы Солнца. Но когда начали формироваться самые первые звезды, отсутствие таких молекул и атомов, которые могли бы поглотить их сияние, стало причиной того, что этот газ состоял почти целиком из водорода и гелия, чего даже формально не хватало того, чтобы противостоять звезде. Это позволило сформироваться звездам с многократно большими массами — в сотни и даже тысячи раз тяжелее Солнца.

Звезды с большой массой живут на полную катушку, и чем больше такая звезда, тем короче ее жизненный цикл. Они переводят вещество в энергию с ошеломляющей скоростью, вырабатывая более тяжелые химические элементы и умирая в пламени взрыва еще «совсем юными». Продолжительность их жизни составляет не более нескольких миллионов лет, а это, в свою очередь, менее одной тысячной доли от предполагаемой продолжительности жизни Солнца. Сегодня вряд ли осталась хотя бы одна звезда из той далекой эпохи: эти ранние пташки должны были выгореть многие миллионы лет назад. Более того, сегодня, когда более тяжелые химические элементы встречаются в самых разных уголках Вселенной, формирование новых подобных звезд с огромной массой в принципе невозможно. И действительно — на сегодня ученым не удалось обнаружить и изучить хотя бы одну звезду-гиганта «тех времен». Но мы приписываем им ответственность за то, что когда-то они впервые привнесли во Вселенную все те ее столь знакомые элементы, которые мы сегодня воспринимаем как должное: углерод, кислород, кремний и железо. Хотите, называйте это «обогащением» или «загрязнением». Однако отрицать нельзя: жизнь впервые зародилась в тех самых первых звездах-гигантах.

В первые несколько миллиардов лет после эпохи отсоединения провоцируемый гравитацией коллапс шел довольно азартно: сила тяготения сгоняла вещество в различные скопления самых разных масштабов. Одним из естественных последствий бесперебойной работы гравитации служит формирование сверхмассивных черных дыр, масса каждой из которых составляет в миллионы и даже миллиарды раз больше, чем масса Солнца. Площадь черных дыр, обладающих подобной массой, соответствует диаметру орбиты Нептуна, и они наносят основательный ущерб своему ближайшему окружению. Газовые облака, которые притягивает к таким черным дырам, стремятся набрать скорость, но не могут, потому что на пути у них встречается слишком много препятствий. Вместо этого они врезаются и впечатываются во все те препятствия на их пути к черной дыре, образуя в своем окружении нечто вроде бушующего водоворота. Но буквально перед тем, как такие облака исчезнут навсегда, все эти столкновения с их раскаленным веществом становятся источниками титанических объемов энергии, в миллиарды раз превышающих сияние Солнца, и все это в пределах Солнечной системы. Громадные потоки вещества и излучения выплескиваются вперед, оставляя след в сотни тысяч световых лет над и под вихреобразными потоками газа, в то время как энергия рвется наружу, стремясь во что бы то ни стало покинуть эту воронку. Пока коллапсирует одно облако, а другое уже ждет своей очереди, подтягиваясь все ближе, яркость свечения всей системы колеблется, демонстрируя то повышенное, то пониженное излучение в течение часов, дней или недель. Если потоки энергии будут направлены прямо на вас, система покажется вам еще более яркой, а вариации в ее свечении — более явными. Это в отличие от тех случаев, когда такие потоки движутся куда-то вбок. Если взять все участки, попадающие под описание в стиле «у нас есть черная дыра, и в нее падает вещество», они окажутся на удивление небольшими и при этом очень яркими по сравнению с той галактикой, что мы можем наблюдать сегодня. Дело в том, что во Вселенной есть еще один тип объектов, чье рождение мы только что проследили на словах, — квазары.