Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Чтобы понять третий надгоризонтный эффект, вернемся к окончанию предыдущего раздела. В нем показано, что на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации, пространственное распределение барионного вещества почти совпадает с распределением темной материи. Поэтому в зонах с большей плотностью темной материи скапливается больше обычного вещества, которое сильнее нагревается. Из таких областей приходит больше фотонов, причем к тому же более горячих, нежели общий фон. Это и есть еще один механизм температурной анизотропии.

Один из факторов первичной анизотропии, действующих на субгоризонтных масштабах, был подробно описан выше — это звуковые волны в барионно-фотонной жидкости. Однако есть и другой — эффект Силка. Физически он очень прост. Взаимодействие между барионами и фотонами, которое вызывает такие волны, слабеет на малых расстояниях. Это происходит потому, что фотоны имеют конечную длину пробега и по ее прохождении рассеиваются в окружающее пространство по всем направлениям. Такая фотонная диффузия приводит к размыванию температурных флуктуаций. Благодаря эффекту Силка фотоны реликтового излучения, которые пришли на Землю из близких точек небосвода (конкретно — с дистанций, меньших пяти угловых секунд), демонстрируют очень малые первичные флуктуации. Так что в мелкозернистом приближении первичные флуктуации почти не нарушают изотропность излучения.

Вторичные анизотропии реликтового излучения также обязаны разным причинам. Главная из них — ионизация космической среды вскоре после начала звездной эры. Поскольку первые звезды в основном были чрезвычайно массивными и горячими, они заливали космос мощными потоками ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Эти высокоэнергетичные кванты выбивали из нейтральных атомов электроны, на которых происходило рассеяние реликтовых фотонов. Очень важно, что направление, по которому уходил рассеянный фотон, практически не зависело от его первоначального пути. Таким образом, информация о первичных температурных флуктуациях, которую несли реликтовые фотоны, после рассеяния практически полностью стиралась, а температура этих фотонов выравнивалась со средней температурой реликтового излучения. Однако часть реликтовых фотонов все же избегла такой судьбы и донесла до нас сведения о первичных температурных флуктуациях. В итоге мы все же можем их наблюдать, хотя и с уменьшенными амплитудами.

Рассеяние, о котором только что шла речь, изменяет направление фотонов, но практически сохраняет их энергию (такое рассеяние называется томсоновским). Однако это не единственная возможность. Особо «горячие» электроны, чьи энергии выше средней энергии фотонов, могут поделиться с последними своей энергией (такой эффект называется обратным комптоновским рассеянием). Плотность подобных электронов в скоплениях галактик может быть весьма высока — порядка 1000 на кубический метр. Поэтому спектр реликтовых фотонов, которые по пути к Земле прошли сквозь такие скопления галактик, оказывается смещенным в сторону более высоких энергий. Этот эффект в начале 1970-х гг. предсказали Яков Борисович Зельдович и Рашид Алиевич Сюняев, и теперь он носит их имя.

Еще одна причина вторичной анизотропии — возникновение во Вселенной крупномасштабных структур, галактик и галактических скоплений. Поскольку они (вместе с окружающей их темной материей) создают локальные поля тяготения, реликтовые фотоны вблизи них набирают энергию на входе и теряют ее на выходе. Если бы эти поля были полностью статичными, потерянная энергия равнялась бы приобретенной, и фотоны продолжали бы миграцию по космосу в первозданном виде. Однако реально эти поля изменяются со временем, и это должно отразиться на энергии фотонов. Можно показать, что в расширяющейся Вселенной с нулевой кривизной пространства, описываемой космологической моделью Эйнштейна — де Ситтера, фотоны сохраняют первоначальную энергию. В других космологических моделях их энергия изменяется — это так называемый интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Наличие или отсутствие этого эффекта позволяет судить о геометрии пространства-времени нашей Вселенной.

Понятно, что температурные флуктуации реликтового излучения обусловлены сложной гаммой причин и в целом отражают физическую историю Вселенной на разных этапах ее существования. Эта история представлена в конкретных космологических моделях, которые отличаются друг от друга численными значениями нескольких параметров. В минимальной версии Стандартной модели их шесть, в расширенных — более десятка (кстати, самым ранним космологическим моделям хватало всего трех параметров). Математический анализ данных, собранных во время наблюдения и измерения этих флуктуаций, позволяет определить эти параметры и на этой основе выбрать наилучшую теоретическую конструкцию, описывающую эволюцию Вселенной.

О том, как это делается, невозможно рассказать на пальцах, хотя вот несколько наглядных примеров. Для теоретического анализа первичных анизотропий реликтового излучения очень важно знать, под каким углом возможно наблюдать область пространства, соответствующую размеру Вселенной в эпоху рекомбинации. Чтобы вычислить его величину, необходимо определиться с космологической моделью. Для плоской Вселенной, которую описывает модель Эйнштейна — де Ситтера, этот угол равен 1,8°, для прочих моделей он имеет другое значение. Барионно-акустические осцилляции имеют максимальную амплитуду на длине волны, по порядку величины равной звуковому горизонту в эпоху рекомбинации. Так как скорость распространения этих колебаний в 1,7 раза меньше скорости света, максимум флуктуаций реликтового излучения в плоской Вселенной Эйнштейна — де Ситтера должен прийтись на угловой размер в 1°. Именно это и показывают наблюдения! Отсюда следует, что мы живем во Вселенной с плоской (или почти плоской) евклидовой геометрией пространства, кривизна которого равна или почти равна нулю. Возможно, это самый важный результат, извлеченный на сегодняшний день из богатейшего информационного резервуара реликтового излучения.

Данные о кривизне космического пространства можно получить и из наблюдений крупномасштабных (на угловых размерах в десятки градусов) осцилляций температур реликтового излучения, где работает интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Чем больше кривизна пространства (и, следовательно, чем заметней его неевклидовость), тем сильнее должны изменяться со временем локальные гравитационные потенциалы. А такие изменения как раз и влекут за собой появление вторичной температурной анизотропии, обусловленной этим эффектом. Данные по крупномасштабным осцилляциям подтверждают, что нам выпало обитать в практически плоской Вселенной. Об этом же свидетельствует и угловое распределение акустических температурных пиков, также зависящее от кривизны пространства.