Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Еще раньше, в 2005 г. в журнале Physical Review Letters, была опубликована статья Кейта Лэнда и Жоао Магуейжо под названием «Ось зла», в которой обсуждается совпадение осей квадрупольной и октупольной компонент [46] Первые четыре сферические гармоники обычно называют монополь (l = 0), диполь (l = 1), квадруполь (l = 2) и октуполь (l = 3). (2-й и 3-й сферических гармоник) реликтового излучения друг с другом и плоскостью эклиптики, т. е. с плоскостью орбиты Земли. Последнее обстоятельство было особенно настораживающее, так как намекало на систематические ошибки в методологии. Статья получила широкий резонанс, только в научной литературе она цитируется в сотнях статей. С квадрупольной компонентой связана еще одна проблема, которая обсуждалась космологами, на этот раз без привлечения средств массовой информации. Речь идет о том, что величина этой компоненты оказалась меньше значения, предсказанного современной стандартной космологической моделью, т. е. ΛCDM-моделью. Однако это малое значение может быть вызвано и исключительно случайными причинами. Оценка величины носит статистический характер, а мы, имея дело с уникальной Вселенной, можем получить величину квадрупольной анизотропии в несколько раз меньше средней оценки этой величины.

Наиболее же экстравагантное заключение было сделано американским математиком Джеффри Виксом, который, анализируя данные WMAP, пришел к выводу, что Вселенная конечна и имеет форму правильного додекаэдра [47] Додекаэдр — многогранник, имеющих 12 граней в форме правильных пятиугольников. размером 60 млрд св. лет в поперечнике. Соответствующая статья, опубликованная в журнале Nature в 2003 г., была упомянута в нескольких сотнях статей. В 2010 г. был опубликован электронный препринт, в котором авторы Вахе Гурзадян и Роджер Пенроуз утверждали, что в карте распределения температуры можно увидеть концентрические круги, которые являются сигналами, связанными с вселенными, предшествующими нашей. Однако работа вызвала массу критических отзывов, также опубликованных в виде электронных препринтов, авторы которых утверждают, что на карте неба нет никаких кругов, кроме тех, которые можно провести случайным образом. Общий скептицизм относительно этой теории хорошо отражен в статье научного обозревателя Би-би-си Джейсона Палмера [48] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-11960756. .

На карте распределения температуры реликтового излучения на рис. 3.1 можно найти область с температурой приблизительно на 70 мкК ниже средней температуры реликтового излучения. Она расположена в южной небесной полусфере в созвездии Эридана и имеет угловой радиус около 5°. Кроме того, она получила название «реликтовое холодное пятно» или «сверхпустота Эридана» и собственную статью в Википедии. Явление это интересное, заслуживающее изучения, но явно не ошеломляющее или требующее пересмотра парадигм и теорий. Его можно объяснить, например, влиянием гигантской пустоты (войда) или сверхпустоты (супервойда) на пути реликтового излучения через хорошо известный механизм взаимодействия реликтового излучения с гравитирующей материей, предложенный Райнером Саксом и Артуром Вольфом. Но это скучно и банально, никакой романтики. Зато профессор Университета Северной Каролины Лаура Мерсини-Хафтон считает: «Стандартная космология не может объяснить природу такой гигантской космической дыры… это явный отпечаток другой вселенной за краем нашей». Остается только узнать, где край нашей Вселенной и как именно отпечаталась другая, не наша вселенная.

Как бы то ни было, если и есть что-то с названием «сверхпустота Эридана», то это можно начинать не только обсуждать, но и бояться. Писать в СМИ статьи «Сверхпустота Эридана и угроза человечеству», устраивать круглые столы и магические обряды по деэриданизации, т. е. нейтрализации вредного влияния роковой сверхпустоты. Люди любят бояться, и это прекрасно используют не только авторы фильмов ужасов.

Вопрос: В настоящее время температура реликтового излучения составляет 2,725 K. Чему она равнялась в предыдущие эпохи?

Ответ: Планковский спектр зависит от произведения длины волны и температуры. Длины волн излучения расширяются вместе с Вселенной, а его температура, соответственно, падает. Каждая эпоха характеризуется своим значением z-фактора. С эпохи, соответствующей определенному значению z-фактора, длина волны увеличилась в 1 + z раз, а температура, соответственно, уменьшилась во столько же раз. Значит, температура в определенную эпоху равнялась 2,725 × (1 + z) К. На эпоху рекомбинации, для которой получаем температуру 2967 K.

В этом разделе мы рассмотрим расширение ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, что соответствует очень малым значениям r или масштабного фактора.

Мы можем пренебречь членом А по сравнению с гораздо большим значением 8πGB/2r в (2.12) и получить

Естественно, это полностью согласуется с уравнением (2.19). Затратив некоторые усилия, можно убедиться, что более сложные уравнения (2.20) и (2,21) также имеют подобное асимптотическое поведение при u → ∞.

Таким образом, сразу после Большого взрыва Вселенная расширялась по закону r ~ t2/3 для каждого из трех возможных сценариев. Постоянная Хаббла началась с бесконечно большого значения и уменьшалась по закону H = 2/3t. В открытой и плоской моделях H всегда положительна и стремится к нулю при больших t. В замкнутой модели постоянная Хаббла становится равной нулю в некоторой точке, и расширение сменяется сжатием Вселенной. Все кончается Большим хрустом через конечный промежуток времени от Большого взрыва. Перед Большим хрустом постоянная Хаббла стремится к –∞. Мы видим, что эволюция ранней Вселенной практически одинакова для всех возможных сценариев.

Космологический горизонт описывает максимально большое расстояние до астрономических объектов, которые мы можем увидеть на небе или получить от них какую-либо информацию любыми способами, включая гравитационные и электромагнитные волны или потоки каких-либо частиц. Любые сигналы от более удаленных объектов не могут достигнуть Земли за время существования Вселенной. Существование космологического горизонта является результатом комбинации двух факторов, а именно конечности скорости света и существования Большого взрыва.

Надо понимать, что чем дальше от нас находится объект, тем дольше от него идет свет и тем на более ранней стадии существования мы его наблюдаем. Таким образом, наиболее далекие из принципиально наблюдаемых объектов должны были испустить свет в момент рождения Вселенной. Этот свет шел бы до нас 13,8 млрд лет, однако из-за расширения Вселенной эти объекты находятся не на расстоянии 13,8 млрд св. лет, а на расстоянии втрое большем, т. е. около 40 млрд св. лет. Соответствующий расчет приведен в разделе 3.5. Более далекие объекты просто не видны, они находятся за космологическим горизонтом – границей видимой части Вселенной. Если на объектах, лежащих за космологическим горизонтом, существует наблюдатель, то он также не может получить информацию от нас. Это – еще одно решение парадокса Ольберса: мы можем наблюдать свет только от объектов в видимой части Вселенной с конечным, хотя и очень большим числом звезд.