Стивен Вайнберг - Первые три минуты [litres]

Все измерения на микроволновом радиометре COBE привязывались к эталонному источнику радиошума, погруженному в жидкий гелий – метод, аналогичный тому, который использовали Пензиас и Вильсон, когда открыли реликтовое излучение (см. главу 7). Однако весь гелий довольно быстро испарился, поэтому COBE уже не сможет уточнить измеренную им температуру. Впрочем, чтобы обнаружить различия в температуре излучения, приходящего к нам с разных направлений, жидкий гелий не нужен. Когда гелий закончился, COBE приступил именно к этим измерениям.

Надо ли говорить, что эти измерения неоднородностей температуры микроволнового фона в зависимости от направления на небе вызвали гораздо больший ажиотаж, чем измерения самой температуры. В первых наземных наблюдениях реликтового излучения в 1960-х гг. последняя получалась одинаковой в любом направлении. Это стало одним из доказательств того, что источником излучения является вся Вселенная, а не только наша Солнечная система или Галактика. Затем в 1977 г. группа экспериментаторов из Беркли измерила небольшую анизотропию (неоднородность) в распределении температуры по небесной сфере, вызванную движением Солнечной системы относительно реликтового фона со скоростью несколько километров в секунду. При этом по направлению движения наблюдается чуть большая температура, а в обратном – чуть меньшая. Но анизотропию, присущую самому излучению, заметить никому не удавалось.

Со временем это даже стало беспокоить. В конце концов Вселенная ведь не идеально однородная жидкость. По крайней мере часть вещества в ней собрана в галактики и в скопления галактик. Эти гравитационно связанные системы в свою очередь под действием силы тяготения выросли из меньших неоднородностей, присутствовавших во Вселенной еще тогда, когда она становилась прозрачной для излучения. Эти зародыши будущих галактик и скоплений неизбежно должны были привести к хоть каким-то неоднородностям в микроволновом фоне.

После стольких лет ожидания ученые, отвечавшие за COBE, в 1992 г. наконец сообщили об открытии малых неоднородностей в распределении интенсивности реликтового излучения по небу. Его температура менялась от точки к точке, в среднем на 30 миллионных градуса на всех угловых масштабах от 7° до 180°. Последующие аэростатные измерения подтвердили этот результат. Считается, что эту рябь в микроволновом фоне вызвало гравитационное поле сгустков вещества, присутствовавших во Вселенной, когда она становилась прозрачной для излучения – т. е. примерно через миллион лет после начала расширения. (Впрочем, некоторые теоретики утверждают, что эти неоднородности – во всяком случае частично – могут быть вызваны гравитационными волнами, родившимися еще раньше.) Но эти сгустки, приводящие к анизотропии в спектре реликтового излучения, не имеют отношения к зародышам будущих галактик и скоплений галактик. Чтобы заметить последние, надо уметь измерять вариации температуры фона с угловым разрешением гораздо меньше 7°. Такие эксперименты стоят следующими на повестке дня. В них будут использоваться микроволновые антенны, установленные на аэростатах или на Южном полюсе. Большая высота и сухой воздух обеспечат практически идеальные условия для наземных наблюдений.

К сожалению, теория образования галактик далека от завершения. Это и неудивительно, ведь мы даже не знаем, из чего состоит галактика. Если предположить, что ее масса собрана в основном в светящихся звездах, то средоточием массы должны быть самые яркие центральные области галактик. Тогда на звезды, расположенные вне этих областей, должна действовать сила всемирного тяготения, обратно пропорциональная квадрату расстояния от центра галактики. Именно по такому закону, например, планеты в Солнечной системе притягиваются к Солнцу. Их скорости при этом падают обратно пропорционально квадратному корню из расстояния. Так же должны были бы уменьшаться и скорости внешних звезд в галактике. Но их измерения в спиральных галактиках показывают: они остаются более или менее постоянными вплоть до самых больших расстояний. Это означает, что масса галактики сконцентрирована не в центре (там, где свет), а распределена в пределах обширного гало невидимой «темной материи».

Количество различных форм вещества в мироздании удобно выражать в единицах критической плотности. (При превышении этой плотности, напомним, Вселенная становится замкнутой, а ее расширение в некоторый момент сменяется сжатием. При постоянной Хаббла, равной 80 км/с на мегапарсек, критическая плотность составляет примерно 10¯ 29граммов на кубический сантиметр. См. математическую заметку 2 на с. 234.) Темп вращения спиральных галактик позволяет оценить долю содержащейся в них массы: 3–10 % от критической. С другой стороны, изучение скоростей галактик в крупных скоплениях дает возможность вычислить отношение массы скопления к его светимости. Если такая же пропорция верна и для галактик, то в них должно находиться от 10 до 30 % критической массы. А из недавнего обзора скоростей галактик, выполненного «Спутником инфракрасной астрономии», следует, что полная плотность составляет не менее 40 % критической.

Но мало того, что «темная материя» совсем не похожа на звезды, – есть основания полагать, что она не имеет ничего общего и с обычными частицами, из которых состоят атомы (протонами, нейтронами и электронами). Как мы узнали из главы 5, протекание ядерных реакций, в ходе которых в первые минуты образуются легкие элементы, зависит от соотношения числа нуклонов и фотонов (частиц света). Если бы первых по отношению ко вторым было больше, превращение водорода в гелий шло бы почти до конца, а значит, количество синтезированного дейтерия и лития уменьшилось бы. Что касается последних, эти элементы, по-видимому, не образуются в звездах в достаточных количествах, поэтому, зная их распространенность во Вселенной, можно вычислить соотношение числа нуклонов и фотонов на момент нуклеосинтеза. Но оно со временем если и меняется, то незначительно. Соответственно раз мы знаем количество фотонов реликтового излучения в кубическом сантиметре, то можем посчитать, сколько сейчас в космосе нуклонов. Этот метод стал активно применяться в 1980-х гг., когда появились первые данные о распространенности во Вселенной гелия, дейтерия, а также изотопа лития 7Li. Таким образом, теперь мы можем утверждать с некоторой долей уверенности: плотность обычного вещества составляет от 2,3 до 4 % от критической для постоянной Хаббла в 80 км/с на мегапарсек – или от 9 до 16 % критической для 40 км/с на мегапарсек.

Оказывается, количество легких элементов, наработанных в ранней Вселенной, зависит и от числа сортов нейтрино. Чем последних больше, тем быстрее расширение и, следовательно, больше водорода успевает преобразоваться в гелий. В физике элементарных частиц уже в 1970-е гг. шли разговоры о трех видах нейтрино. Эта гипотеза, в частности, закладывалась в расчеты процесса нуклеосинтеза и тем самым в некотором смысле была подтверждена. И действительно, в 1990 г. экспериментаторы из ЦЕРНа в Швейцарии, изучая распады Z 0-бозона, обнаружили третью разновидность нейтрино.