Первые квантовые флуктуации привели в движение огромную космическую загадку

Ниже приводится выдержка из нашего информационного бюллетеня «Затерянные в пространстве-времени». Каждый месяц мы погружаемся в увлекательные идеи со всей Вселенной. Ты можешь зарегистрируйтесь на «Затерянные в пространстве-времени» здесь.

«В начале».

Эти три слова произвели настоящее заклинание с тех пор, как 5^й веке нашей эры, когда израильский священник, известный библеистам как «П», положил чернила на пергамент и написал первые строки Книга Бытия. Наше современное изложение истории творения не менее поэтично, поскольку оно согласуется с тем, что мы можем наблюдать во Вселенной сегодня. Судя по тому, что мы думаем, что знаем, в общих чертах дело обстоит именно так.

У нас нет слов, чтобы описать самое начало, потому что это просто за пределами физики и человеческого опыта. Но мы можем экстраполировать назад из настоящего и сказать, что Вселенная образовалась в результате горячего большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад. По мере расширения очень ранняя Вселенная испытала серию квантовых спазмов. Всплеск расширения, называемый космической инфляцией, превратил пространство в плоскость, но мельчайшие колебания застряли, как пузыри в янтаре.

Эти квантовые флуктуации оставили свой след. Карманы Вселенной расширялись быстрее, чем другие, рано образуя горячую материю и создавая области немного более плотные, чем другие, называемые сверхплотностями. Другие карманы расширялись медленнее, создавая низкую плотность населения. Примерно через 100 секунд материя приняла знакомую форму: ядра водорода (одиночные протоны) и ядра гелия, называемые барионной материей, плюс свободные электроны. Эту знакомую материю сопровождал незнакомый старший брат: темная материя.

На этом этапе Вселенная представляла собой высокотемпературную плазму, в которой преобладало плотное излучение и которая вела себя во многом как жидкость. Он продолжал расширяться, движимый импульсом, возникшим в результате Большого взрыва, которому способствовала лежащая в его основе темная энергия, движущая энергия так называемого пустого пространства. Скорость расширения замедлилась еще на 9 миллиардов лет, поскольку Большой взрыв выдохся, после чего темная энергия взяла верх и снова начала ускорять расширение.

Сверхплотности, разбросанные по ранней Вселенной, состояли в основном из темной материи и небольшой доли барионной материи. Гравитация начала работать, притягивая больше каждого вида материи, а окружающее излучение действовало как клей как на барионную материю, так и на электроны. Давление этого излучения достигло точки, когда оно сопротивлялось дальнейшему сжатию, а конкуренция между гравитацией и давлением излучения вызвала акустические колебания – звуковые волны – в плазме.

Увы, даже если бы рядом был кто-то, кто мог бы слушать, это не были звуковые волны, которые можно было бы услышать. Они двигались со скоростью, превышающей половину скорости света, а длины волн измерялись миллионами световых лет. Тем не менее, мне все еще нравится думать об этом как о периоде, когда Вселенная была пение.

По мере того, как волна давления, развивающаяся в плазме, сжимала жидкость, в которой доминировало излучение, она расширялась наружу, и отрицательно заряженные электроны увлекались за собой, увлекая за собой более тяжелые положительно заряженные барионы. Темная материя не взаимодействует с излучением, поэтому она осталась позади. Конечным результатом стала сферическая волна сверхплотной барионной материи, которая расширилась наружу, оставив за собой так называемое разрежение – область низкой плотности материи.

Скорость этих звуковых волн контролировалась балансом между плотностью барионной материи и плотностью излучения. Звуковые волны, возникшие на ранних этапах существования Вселенной, были созданы из меньших сверхплотностей и, следовательно, имели меньшую амплитуду и более высокую частоту. Они были сильно демпфированы и не продержались дольше одного цикла сжатия-разрежения. Звуковые волны сверхвысокой частоты, распространяющиеся в воздухе, неустойчивы по тем же причинам.

Пока все это происходило, Вселенная продолжала расширяться и остывать. Примерно через 380 000 лет он достаточно остыл, чтобы электроны могли быть захвачены ядрами водорода и гелия и образовали нейтральные атомы. Космологи называют это рекомбинацией. На это ушло около 100 000 лет, причем в регионах с высокой плотностью материи это происходило медленнее. Поскольку не осталось открытого электрического заряда, с которым можно было бы взаимодействовать, было высвобождено излучение. Оно рассеялось, образовав то, что мы позже назовем космическим фоновым излучением. Часть этого излучения могла быть видна в то время, хотя вокруг явно не было никого, кто мог бы его увидеть.

Радиационное давление резко упало, как и скорость звука, оставив сферическую оболочку из барионной материи замороженной на месте, подобно линии обломков, унесенных приливом на пляж. Последняя и самая большая волна сжатия оставила концентрированную сферу видимого вещества примерно в 480 миллионах световых лет от первоначальной сверхплотности, называемую звуковым горизонтом.

Ранние, сильно затухающие волны оставили небольшой отпечаток на распределении материи во Вселенной. Но более поздние волны, возникшие непосредственно перед рекомбинацией, имели большую амплитуду и меньшую частоту. Фактически, мы все еще можем видеть доказательства этого сегодня, потому что области с высокой плотностью материи, связанные с волной сжатия, производили бы немного более горячее фоновое излучение, в то время как области с низкой плотностью материи, связанные с разрежением, производили бы немного более холодное фоновое излучение. Итак, в космическом фоновом излучении остался отпечаток распределения материи всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Это то, что космологи называют «подписью Вселенной».

Длина этой последней звуковой волны чувствительно зависит от кривизны пространства. А поскольку то, что мы видим в небе с нашей точки зрения на Земле, является результатом примерно 13 миллиардов лет дальнейшего расширения, значение постоянной Хаббла – меры скорости, с которой Вселенная расширяется сегодня – также прочно включено в это описание.

И квантовые флуктуации, и акустические колебания оставили красноречивые признаки, подобные кровавым отпечаткам пальцев на месте космического преступления. Первые были впервые обнаружены миру 23 апреля 1992 года в характере изменений температуры на карте космического фонового излучения всего неба, обнаруженной спутниковой миссией COBE. Джордж Смут, главный исследователь проекта по их обнаружению, изо всех сил пытался найти превосходную степень, чтобы передать важность открытия. «Если вы религиозны, — сказал он, — это все равно, что увидеть Бога». Для выявления акустических колебаний потребовалось немного больше времени, поскольку для их обнаружения требовались гораздо более чувствительные инструменты.

Предположим, мы смотрим на небо в двух разных направлениях, если измерять его с орбитального спутника. Мы соединяем эти направления, чтобы сформировать треугольник, выступающий в пространство. Угол при вершине этого треугольника называется угловым масштабом.

Звуковой горизонт означает, что вероятность найти горячую точку на космическом фоне на расстоянии примерно 480 миллионов световых лет от другой горячей точки немного выше средней. Современная космология Большого взрыва предполагает, что это расстояние соответствует угловому масштабу ~ 1˚. Это примерно в 10 раз превышает угловое разрешение, которое было доступно прибору на борту COBE. Но спутниковые миссии WMAP и Planck, запущенные в 2001 и 2009 годах соответственно, выявили не только звуковой горизонт, но и дальнейшие акустические колебания, простирающиеся до угловых масштабов менее 0,1˚.

Окончательное расположение барионной материи оставило еще один контрольный знак. Небольшие сверхплотности послужили космическими семенами для формирования звезд и галактик, а пониженная плотность привела к образованию пустот в крупномасштабной структуре Вселенной, которая впоследствии стала известна как космическая паутина. Следовательно, вероятность найти цепочку галактик на расстоянии примерно 480 миллионов световых лет от другой цепочки галактик должна быть немного выше средней.

Анализ акустических колебаний позволил астрофизикам определить космологические параметры – плотности барионной материи, темной материи и темной энергии, а также постоянную Хаббла, звуковой горизонт и возраст Вселенной – с беспрецедентной точностью. Но нам не следует расслабляться слишком сильно. Стандартная инфляционная модель космологии, называемая лямбда-CDM, заставляет нас довольствоваться тем фактом, что то, что мы можем видеть, составляет лишь 4,9 процента Вселенной, причем темная материя составляет 26,1 процента, а темная энергия — 69 процентов, что составляет остальное.

Проблема в том, что мы понятия не имеем, что такое темная материя и темная энергия.

Новая книга Джима Бэгготта Разногласия: тревожная история постоянной Хаббла будет опубликовано в США издательством Oxford University Press в январе 2026 г.

Темы: