Борис Штерн - Прорыв за край мира

И это еще не всё. Оказывается, состояние Вселенной после рекомбинации тоже влияет на карту реликтового излучения. Свободные электроны рассеивают излучение, что слегка замывает картину и требует учета. Электроны связываются в атомы в эпоху рекомбинации, но через сотни миллионов лет межгалактический газ снова меняет свое состояние — под действием ультрафиолетового излучения квазаров и звезд происходит вторичная ионизация. Выше рассказано про эффект Ганна — Петерсона, обнаруженный в спектре квазара с красным смещением 6,28. На самом деле то, что увидели, — это самый конец вторичной ионизации, когда атомов водорода в межгалактическом газе осталось совсем немного. Реально она произошла раньше при большем красном смещении. Когда именно, мы не видим. Поэтому это шестой свободный параметр.

Теперь осталось всё вычислить в зависимости от параметров — как развивались неоднородности темной материи в расширяющейся Вселенной, как колебались волны барионной материи и как они взаимодействовали через гравитацию с темной материей, как проходила рекомбинация вещества, как излучались фотоны реликтового излучения и как они распространялись по дороге. И многое другое. И подобрать такую шестерку параметров, которая наилучшим образом опишет данные, показанные на рис. 32.2.

Вот эти параметры с ошибками

Плотность барионов в единицах критической плотности Ω b = 0,0463 ± 0,0024 Плотность темной материи в тех же единицах Ω c = 0,233 ± 0,023 Плотность темной энергии в тех же единицах Ω Λ = 0,721 ± 0,025 Относительная среднеквадратичная амплитуда первичных неоднородностей D 2= (2,41 ± 0,10)·10 -9

Степенной индекс спектра первичных неоднородностей n s ( n s = 1 соответствует плоскому спектру) n s = 0,972 ± 0,013 Красное смещение, соответствующее вторичной ионизации z r = 10,6 ± 1,1 Из этих результатов прямо следует: возраст Вселенной — 13,74 ± 0,11 млрд лет — точность лучше процента!

Это результаты всех 9 лет работы WMAP. Дальше начинается дополнительная игра: данные WMAP дополняются информацией, полученной другими методами, в частности, из обзоров неба обычными телескопами. Точность возрастает.

Одна из самых интересных вещей, которые при этом обнаруживаются, — отклонение спектра первичных возмущений от чисто плоского. Если привлечь всю имеющуюся информацию, то имеем результат для степенного индекса: n s = 0,9608 ± 0,0080 (пять стандартных отклонений от единицы, которая соответствует плоскому спектру). Это уже кое-что говорит о самом процессе инфляции. Более того, это было предсказано давным-давно — еще в 1981 году Вячеславом Мухановым и Геннадием Чибисовым: первичный спектр возмущений отличается от плоского именно на такую величину. Если это не триумф науки, то что вообще можно назвать триумфом? Да и вся 9-летняя миссия WMAP, при всей скромности затрат на нее, оказалась фантастически успешной. По мнению автора, по суммарному вкладу в фундаментальную науку она превосходит открытие бозона Хиггса.

Космологическая инфляция работает как исполинский конвейер. Все возмущения плотности рождаются с определенным размером: 10 -27см или около того. Потом каждое возмущение растягивается в е раз за каждые 10 -37с, за это время генерируются новые, еще не растянутые. Пока конвейер работает с постоянной скоростью, спектр флуктуаций получается почти плоским. И когда он останавливается, проработав, скажем, 10 -34с, имеем почти плоский спектр, простирающийся от 10 -27см до, например, 10 400см (последняя цифра очень условна). Нас интересуют те возмущения, которые при остановке составляли от долей микрона до долей миллиметра, — именно они растянулись уже после инфляции в те неоднородности, которые видит WMAP. Когда они генерировались, «колесам конвейера» предстояло сделать еще около 50-60 «оборотов», т.е. растяжений в е раз. И из измеренного значения упрямо следует, что «конвейер» к тому моменту уже притормаживал — движущее скалярное поле ослабевало. Скорость торможения (характеризуемая отличием n s от 1), зависит от характеристик этого поля. Так люди дотянулись до физики явлений, на десять с лишним порядков выходящих за пределы возможностей Большого адронного коллайдера.

И это еще не всё! Физики предполагают, что число нейтрино равно трем и нет других частиц со столь же малой массой. Но это только предположение. Объединенные данные WMAP и других инструментов показывают, что число частиц, слабо взаимодействующих с веществом и имеющих малую массу: 3,84 ± 0,40 — т.е. указывают на возможность существования еще одной частицы. Однако эксперимент «Планк» (см. главу 36) скорректировал этот результат в сторону трех.

В эпоху рекомбинации нейтрино имеют кинетическую энергию примерно в 0,2 эВ. Если бы у нейтрино была масса, превышающая эту энергию, то они двигались бы заметно медленнее света, и это опять бы сказалось на карте реликтового излучения. Если брать

194 только данные WMAP, то из них следует ограничение сверху на сумму масс нейтрино 1,3 эВ. Это уже лучше, чем ограничение на массу электронного нейтрино, полученное в лаборатории. А если привлечь все данные, то получается, что сумма масс всех нейтрино меньше 0,44 эВ. Это уже тот уровень, который очень непросто достичь в лабораторных условиях. Впрочем, это отнюдь не означает, что лабораторные эксперименты по измерению массы нейтрино надо прекращать: исследователи по своему призванию обязаны испробовать все возможные способы для определения важной фундаментальной величины.

Одно из важнейших свойств человека — способность поражаться происходящему в окружающем мире (в смысле впадать в крайнюю степень удивления). Например, автор, будучи в состоянии далеко не первой молодости, поражается тому, как юная гимнастка взлетает со снаряда, крутится вокруг двух осей, приземляется точно на ноги и при этом не разваливается. В детстве автор поражался тому, как стреляет ружье и ездит машина — как щепотка пороха в патроне и капля бензина в цилиндре развивают такую силу. А вот тому, как работает компьютер, я не поражался никогда, поскольку начинал работать с самыми древними машинами, программируемыми в восьмеричных кодах, где работу можно было проследить пошагово, глядя на панель с лампочками, отражающими текущую команду в двоичном виде. Последующий прогресс плавно проистекал на моих глазах.

Вероятно, и у тех, кто начинал заниматься космологией в 1980-1990-х годах, триумф теории и эксперимента, изображенный на рис. 32.2, никакого удивления не вызывает. Однако, ни автор, ни подавляющее большинство читателей к таковым не относятся, и потому согласие между теоретической кривой с подогнанными шестью параметрами и данными на рис. 32.2 можно назвать поразительным, фантастическим. Шесть параметров для сложной кривой со многими максимумами с неочевидными соотношениями высоты — это очень экономно, примерно, как убить шестью выстрелами тридцать зайцев. Причем полученные значения параметров близки к тем, что были извлечены раньше (хотя и с меньшей точностью) из данных о современной Вселенной.