Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Однако вернемся к играм между фотонами и барионами (конкретно — протонами и ядрами гелия), имевшим место перед началом рекомбинации. И те и другие весьма интенсивно взаимодействовали друг с другом через посредство электронного газа. Поэтому в эту эпоху космическое пространство было заполнено особой субстанцией, имевшей значительное сходство с обычными жидкостями. Поскольку плотность фотонов сильно превышала плотность барионов, эта жидкость была сжата большим световым давлением. Когда барионы втягивались в гравитационные ловушки, созданные притяжением скоплений темной материи, давление фотонов препятствовало их пленению и несколько сглаживало (но конечно, не ликвидировало) флуктуации барионной плотности. Так что плотность барионов все равно локально колебалась, и эти колебания распространялись по пространству. Иначе говоря, возникали бегущие волны плотности, вполне аналогичные обычному звуку в толще воды либо в воздухе. Как говорят астрофизики, в барионно-фотонной жидкости возбуждались барионные акустические осцилляции. При этом в местах максимального сжатия ее температура возрастала, а в зонах разрежения — падала (опять-таки как и при распространении звука в воздухе). В итоге флуктуации плотности барионно-фотонной жидкости порождали флуктуации ее температуры.

Вселенная после Большого взрыва постоянно расширялась, как и в нашу эпоху. Коль скоро ее размеры оставались конечными, звуковые волны в барионно-фотонной жидкости на любой возрастной отметке Вселенной тоже могли преодолеть лишь конечное максимальное расстояние. В первом приближении оно равно скорости звука, помноженной на этот возраст. Можно показать, что скорость звуковых волн в барионно-фотонной жидкости приблизительно в 1,7 раза меньше скорости света в вакууме (конкретно — она равна скорости света, поделенной на квадратный корень из трех). Максимальная дистанция, которую могут пройти звуковые волны к наступлению определенного возраста Вселенной, называется звуковым горизонтом.

И что дальше? Флуктуации плотности барионно-фотонной жидкости имеют разные пространственные масштабы, которые, однако, не могут превысить величину звукового горизонта. Как только флуктуация достигает горизонта, ее амплитуда больше неспособна расти — и флуктуация затухает. Отсюда следует, что длины звуковых волн в барионно-фотонной жидкости не могут быть произвольно большими, они ограничены сверху. Если знать конкретные темпы расширения Вселенной, то этот верхний предел легко вычислить. Уже одно это демонстрирует, что спектр звуковых колебаний барионно-фотонной жидкости в эпоху рекомбинации содержит информацию о тогдашней скорости расширения Вселенной.

Легко понять, что произойдет по завершении этой эпохи. Практически все электроны объединятся с ядрами водорода и гелия. Вместо ионов появятся нейтральные атомы, а электронный газ попросту исчезнет. Вместе с ним исчезнет и барионно-фотонная жидкость, поскольку больше не останется посредников, способных передавать взаимодействия между фотонами и барионами. Поэтому скорость звука в барионной среде упадет до нуля. Существовавшие флуктуации плотности сами по себе не разгладятся, но перестанут распространяться — как говорят астрофизики, звуковые волны окажутся вморожены в барионное вещество. Начиная с этого времени ничто не будет препятствовать барионам (теперь уже в форме нейтральных атомов) копиться в гравитационных ловушках, созданных скоплениями темной материи. По прошествии времени пространственное распределение атомов окажется примерно таким же, как и распределение темной материи.

Данные о температурной анизотропии реликтового излучения содержат гигантский объем информации. Объяснить это несложно. Как показывает теоретический анализ, угловые флуктуации температуры реликтового излучения определяются численными параметрами, заложенными в космологические модели. Это постоянная Хаббла, которая определяет скорость расширения Вселенной в нашу эпоху, мера кривизны пространства, относительные доли барионного вещества, темной материи и темной энергии в энергетическом балансе Вселенной и еще несколько параметров, которые имеют технический характер и не столь наглядны. Точные промеры температурных флуктуаций реликтового излучения, приходящего с разных точек небесной сферы, в принципе позволяют вычислить эти параметры и тем самым выбрать наиболее правдоподобную модель Вселенной.

Подробное рассмотрение различных видов первичной и вторичной температурной анизотропии реликтового излучения выходит за рамки популярного изложения (не говоря уже о том, что без серьезной математики такая попытка превратится в чистую профанацию). Однако стоит привести несколько примеров, естественно, с неизбежными упрощениями. Сначала речь пойдет о первичной анизотропии, а затем и о вторичной.

На этом этапе необходимо ввести важное уточнение. Основные причины первичной анизотропии можно — и нужно! — разделить на две группы. Во-первых, это механизмы, которые действуют на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации. Из-за этого на них практически не влияют локальные физические процессы, которые могли иметь место со времени Большого взрыва до эпохи рекомбинации. Во-вторых, это взаимодействия намного меньших масштабов, значительно уступающих величине горизонта.

Cамый эффективный из надгоризонтных механизмов — эффект Сакса — Вольфа, который состоит в воздействии гравитации на энергию (то есть температуру) квантов электромагнитного излучения. Фотоны, рожденные в зоне, где плотность вещества особенно высока и, следовательно, величина поля тяготения больше, вырываются из этой гравитационной ловушки, теряют энергию и сдвигаются в сторону красной области спектра (это и есть гравитационное красное смещение). Точно так же фотоны, которые родились в областях с меньшим гравитационным потенциалом, будут иметь сравнительно бóльшую энергию, так что их спектр сдвинется не в красную, а в голубую сторону. Этот механизм анизотропии отчасти компенсируется тем, что, согласно ОТО, тяготение тормозит течение времени. Поэтому фотоны, вышедшие из областей с максимальной плотностью вещества, будут рассеиваться на электронах несколько раньше фотонов, пришедших из участков с меньшей плотностью. Поскольку температура Вселенной по мере ее расширения падает, эти фотоны встретятся с электронами на более горячей стадии мироздания. Реально оба фактора действуют совместно и в сумме создают эффект Сакса — Вольфа.

Кроме эффекта Сакса — Вольфа стоит упомянуть еще два надгоризонтных механизма. Хотя расширение Вселенной в целом однородно, в ней рождаются (и умирают) потоки вещества. Когда фотоны рассеиваются на электронах, движущихся в этих потоках, их частоты изменяются в соответствии с эффектом Доплера. Если до Земли дошли фотоны, некогда рассеянные струей горячей плазмы, которая двигалась в направлении области пространства, где ныне находится наша планета, их температура окажется чуть выше средней температуры реликтового излучения, а при движении в противоположном направлении — чуть ниже. Таким образом возникает либо голубое, либо красное смещение, но не гравитационное, а чисто кинематическое.