Борис Штерн - Прорыв за край мира

Если темная материя распадается на обычные частицы, в частности, на гамма-кванты, то последние можно обнаружить в космосе. Уже было несколько не подтвердившихся заявлений по этому поводу:

• Утверждалось, что вклад от распада темной материи видят в данных космического гамма-телескопа EGRET, но потом выяснилось, что это результат неправильного учета свойств детектора.

• Утверждалось, что космический спектрометр PAMELA регистрирует избыток позитронов, каковой объясняется распадом темной материи, но оказалось, что позитроны неплохо объясняются и обычными астрофизическими источниками.

• Утверждалось, что космический гамма-телескоп «Ферми» «увидел» особенность в спектре электронов больших энергий. Но после тщательной калибровки инструмента особенность «рассосалась».

• Наконец, в данных «Ферми» нашли пик в спектре гамма-квантов высоких энергий, летящих от центра нашей Галактики. Это приписали аннигиляции частиц темной материи. Уже вышли десятки, если не сотни работ на это тему. Автор недавно (в январе 2013 года) собственноручно проверил этот пик по открытым данным — вместо того, чтобы стать более значимым за последний год наблюдений, пик этот тоже практически «обнулился». То есть это была статистическая флуктуация.

Таким образом, темная материя пока старательно ускользает от нас.

Итак, современная структура Вселенной, включая скопления галактик и сами галактики, выросла из небольших флуктуаций плотности, которые прекрасно отражены на карте реликтового излучения. Далее приходится задаться вопросом: откуда взялись эти затравочные неоднородности? Мы видим их в эпоху рекомбинации, мы видим, что их амплитуда была порядка 10 -5. До этой эпохи возмущения барионной компоненты вырасти практически не успели — они были такими с самого начала. С какого начала? Что породило эти флуктуации?

Оказывается, космологическая инфляция умеет делать и это.

Напомним, что в квантовой механике любое поле имеет нулевые (вакуумные) колебания, которые обычно не наблюдаемы. Скалярное поле, вызывающее инфляцию, — тоже. Но при разных видах воздействия вакуумные колебания могут становиться реальными флуктуациями полей — волнами, частицами — в зависимости от конкретной ситуации.

Ускоренное расширение пространства — один из видов такого воздействия. Вакуумное колебание поля имеет шанс превратиться в реальную флуктуацию, если пространство за период колебания данной частоты существенно расширится. Именно это и происходит при космологической инфляции.

Напомним, скорость расширения выражается через постоянную Хаббла H , для случая инфляции а = а o·e Ht где а — расстояние между произвольной парой точек пространства (масштабный фактор, определенный с точностью до постоянного множителя). Обратная величина 1/ Н — время, за которое все расстояния в расширяющемся пространстве увеличиваются в е раз (для простоты слога ниже будем пользоваться словом «удвоение»).

Величина Н пропорциональна квадратному корню из плотности энергии скалярного поля. Если «мотором» инфляции (инфлатоном) является поле, связанное с физикой великого объединения (как поле Хиггса связано с физикой электрослабого взаимодействия), то естественное значение H , выраженное в планковских единицах, — где-нибудь 10 -6, а время удвоения расстояний — 10 6планковских времен, т.е. 10 -37с. Это не обязательно точно так, просто остановимся на этих числах как на вероятной возможности.

При такой инфляции наиболее эффективно «реализуются» флуктуации с периодом порядка тех же 10 -37с, или характерного размера 10 -27см. Меньшие по размеру флуктуации не генерируются. Большие — генерируются, но с меньшей амплитудой, поэтому можно считать, что основные флуктуации инфлатона происходят именно на масштабе 10 -27см. Какова их амплитуда? Грубо говоря, ее относительная величина порядка H ~ 10 -6. Более точное значение определяется конкретной зависимостью V ( f ).

Итак, самые сильные квантовые возмущения скалярного поля, раздувающего вселенную, рождаются с размером около 10 -27см. Через каждые 10 -37с их размер удваивается. Через 10 -36с увеличивается в тысячу раз. А всё это время возникают новые флуктуации исходного размера. Работает своеобразный конвейер — флуктуации рождаются всё время, пока продолжается инфляция, возникают и растягиваются. А их амплитуда при этом не меняется, как не меняется и само поле. Допустим, инфляция продолжается 10 -35с — это вполне вероятно (равно как и 10 -32с, может быть и больше). За это время происходит сотня удвоений размера первых флуктуаций. Это рост на 30 порядков. Самые первые флуктуации растягиваются до размера 10 м. Цифра условная, поскольку если инфляция продлится вдвое дольше, то максимальный размер флуктуации намного превзойдет современный размер горизонта Вселенной. Итак, если инфляция идет с постоянным темпом, в результате имеем к ее завершению спектр возмущений поля с одинаковой амплитудой, простирающийся от 10 -27см до макроскопических величин. Такой спектр (амплитуда не зависит от длины волны) называется плоским. Или спектром Гаррисона-Зельдовича (по имени авторов, впервые предположивших, что первичные флуктуации описываются таким спектром, еще задолго до появления концепции космологической инфляции). В реальности темп инфляции меняется и спектр слегка отличается от плоского. Этот важный факт обсуждается в следующих главах.

Инфляция заканчивается «скатыванием» инфлатонного поля к нулю, причем это «скатывание» происходит с ускорением. В конце инфляции все флуктуации усиливаются в результате переходного процесса до относительных амплитуд плотности 5·10 -5(среднеквадратичное отклонение). С таких значений впоследствии начинается их эволюция.

Картина квантового рождения первичной ряби Вселенной была впервые и довольно исчерпывающе изложена в работе Вячеслава Муханова и Геннадия Чибисова в 1981 году. При этом они опирались на сценарий Старобинского.

Итак, по завершении инфляции Вселенная перешла на обычный режим расширения по инерции — по сценарию Фридмана. Всё ее содержимое к этому моменту было «сотворено» — все частицы, правда, имевшие другой тип, чем сегодня. Ее температура была порядка 10 16ГэВ, если измерять ее в единицах, привычных для физиков высоких энергий, или 10 29градусов Кельвина. С тех пор она расширилась почти на 29 порядков. Положительные флуктуации плотности, имевшие размер в десяток микрон на конец инфляции, превратились в гигантские скопления галактик, содержащие сотни триллионов звезд. Напомним, еще раньше десятимикронная флуктуация появилась как квантовый эффект на масштабе 10 -27см. Таким образом, любое скопление галактик, любая галактика — прямой потомок микроскопической квантовой флуктуации, растянутой до микронных размеров за время инфляции и еще на 29 порядков — по инерции после ее окончания.