Борис Штерн - Прорыв за край мира

Пока мы описали только часть сценария возникновения Вселенной. Ту часть, которая объясняет, откуда взялись начальные условия, давшие огромную однородную Вселенную с богатым содержимым. Но есть и другой вопрос, который поначалу казался не столь фундаментальным: откуда взялись галактики, их скопления и более крупная структура Вселенной, называемая крупномасштабной. Этот вопрос встал во весь рост в 1970-х годах и тоже относился к начальным условиям при возникновении Вселенной: без неких первичных неоднородностей всё наблюдаемое великолепие не смогло бы появиться.

Как выглядит современная Вселенная? Она однородна в целом, на больших масштабах, — скажем, на расстояниях 300 мегапарсек (миллиард световых лет) однородность соблюдается с хорошей точностью. На меньших масштабах есть галактики, скопления галактик и так называемая крупномасштабная структура, похожая на трехмерную сеть с перепонками, — нечто ячеистое неправильной формы. Самый крупный масштаб этих неоднородностей — примерно 100 мегапарсек (300 млн световых лет). Крупномасштабная структура была выявлена на трехмерных картах распределения галактик в 1980-х годах.

Пространство внутри ячеек, между перепонками, называется войдами — там практически нет галактик. Толщина стенок — около одной десятой от их размера. Там, где стенки пересекаются, плотность еще выше, а в узлах находятся гигантские скопления галактик.

Контраст плотности в этой структуре довольно велик. В стенках плотность вещества на порядок больше, чем в войдах. В волокнах на пересечении стенок — еще на порядок выше. А в узлах, где находятся гигантские скопления галактик, плотность порядка на три выше средней. Откуда взялась эта сеть, скопления галактик, сами галактики? Оказывается, если бы Вселенная изначально была абсолютно однородной, то эта структура не смогла бы возникнуть.

Любая среда, заполняющая пространство, подвержена гравитационной неустойчивости, носящей имя Джинса. Любые сгущения стремятся сжаться под действием собственного тяготения. Сжатию может препятствовать давление среды, но если неоднородность имеет достаточно большой размер (критический размер Джинса пропорционален скорости звука в среде), то сгущение начинает сжиматься — сначала по экспоненциальному закону, затем при ряде условий может перейти в режим свободного падения. Именно неустойчивость Джинса привела к образованию звезд в галактиках.

Рис. 24.1. Крупномасштабная структура Вселенной по данным Слоановского цифрового обзора неба (Sloan digital sky survey). Сюда попал «срез» неба раствором 2,5°. Темные сектора — плоскость Галактики, где наблюдения затруднены из-за пыли. Синими точками обозначены эллиптические галактики, красными — остальные. Некоторые массивные и плотные скопления галактик приобретают вид радиально направленных черточек из-за большого разброса скоростей — эти скорости добавляются к измеренному красному смещению

В случае расширяющейся Вселенной неустойчивость работает иначе. Возмущения растут медленнее: не по экспоненте, а линейно — контраст возмущений растет пропорционально масштабному фактору Вселенной. В какой-то момент, когда сгущение становится гравитационно связанным, рост становится нелинейным, причем на стадию нелинейности раньше выходят неоднородности меньшего размера — галактики и скопления галактик. А еще раньше — первые звезды, которые были гигантскими.

Ячеистая структура из стенок и войдов не успела выйти на нелинейную стадию (и уже не выйдет). Как она образовалась? Трудно допустить, что начальные возмущения плотности имели такую хитрую структуру. Ответ прост: крупномасштабная структура является сетью каустик.

Подобное явление можно наблюдать на стене, куда падает свет, отраженный от поверхности воды с легкой беспорядочной рябью. Или в виде аналогичной световой картины на мелком дне. Мы видим подвижную сетку из ярких полос. Именно сеть, а не плавные переливы яркости, подобные самой ряби. Помните, что писал Николай Гумилёв про жирафа:

Это в точности про сеть каустик в отражении от ряби, на которую действительно похожа раскраска жирафа. Математически суть «волшебного узора» и крупномасштабной структуры одна и та же, только на воде фокус происходит с углом отражения или преломления, а в случае крупномасштабной структуры — со скоростями и расстояниями — гравитационная неустойчивость в расширяющейся Вселенной работает так, что материя преимущественно накапливается на ближайшей плоскости сгущения.

Еще в 1970 году Я. Б. Зельдович аналитически показал, что положительная флуктуация плотности собирается в плоский блин (термин «блины» прижился надолго). Таким образом, структура из пересекающихся блинов была предсказана еще до своего открытия. Впоследствии путем моделирования с привлечением всё возрастающих вычислительных ресурсов ячеистая структура была воспроизведена во всем ее великолепии.

Рис. 24.2. Результат численного эксперимента «Миллениум», в котором моделировался рост первичных возмущений из-за гравитационной неустойчивости, вплоть до образования галактик и их скоплений. Каждая точка на рисунке — галактика. Яркие пятна — большие скопления галактик. Архив изображений Астрофизического института Общества Макса Планка (МРА) www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/

Но ни ячеистая структура, ни галактики, ни их скопления не смогли бы возникнуть, если бы ранняя Вселенная была совершенно однородной. Известный закон роста возмущений диктует, что для появления наблюдаемой структуры контраст неоднородностей плотности в эпоху рекомбинации должен быть чуть больше одной тысячной: Вселенная с тех пор расширилась в тысячу раз, и контраст должен был вырасти в тысячу раз, чтобы стать порядка единицы и перейти в нелинейную стадию, образовав галактики.

Эпоха рекомбинации важна здесь потому, что у нас есть «фотография» Вселенной этого возраста (380 тыс. лет) — карта реликтового микроволнового излучения. Значит, мы должны видеть эту затравочную «рябь» на карте реликта! Причем неоднородности температуры реликтового излучения вроде должны быть того же порядка, что и контраст плотности, хотя и не точно такими же: при переводе одного контраста в другой замешан ряд нетривиальных эффектов.

В 1970-1980-х годах сложилась довольно напряженная ситуация. Уже делались измерения реликтового излучения с хорошей чувствительностью. Однако оно выглядело однородным даже тогда, когда уровень чувствительности в одну тысячную был достигнут на наземных радиотелескопах. Тогда наиболее чувствительной установкой был РАТАН-600 на Северном Кавказе (радиотелескоп Академии наук диаметром 600 м). Первый результат, доложенный руководителем научной программы радиотелескопа Юрием Парийским, вызвал недоверие. Получалось, что неоднородностей температуры реликтового излучения нет на уровне 10 -4. А как же тогда образовались галактики!? Кое-где раздавался ропот, что данные неверны. Но вскоре результат об отсутствии неоднородностей с контрастом 10 -4был подтвержден на других радиотелескопах. А предел по данным РАТАН-600 был снижен до уровня 10 -5и даже меньше. Это заставило изрядно поволноваться космологов — вырисовывался самый настоящий кризис. Почва уходила из-под ног: мы видим галактики и их скопления, точно знаем, как эволюционируют неоднородности, но не видим того, из чего они должны развиваться.