Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

При этом статистические свойства (как говорят, спектр) первичных флуктуаций можно установить, изучая данные по анизотропии реликтового излучения.

Сами флуктуации плотности определяются поведением темного вещества. Основная причина этого в том, что количество темного вещества в несколько раз больше, чем барионного (этот фактор является определяющим начиная с эпохи рекомбинации). Но в более раннюю эпоху была еще одна причина: дело в том, что неоднородности в распределении темного вещества начинают расти рано, а обычное барионное вещество до рекомбинации связано с фотонами, и поэтому (до определенного момента) неоднородности в распределении барионов расти не могут.

Для образования структуры во Вселенной необходимы первичные неоднородности плотности.

Когда барионы начинают «натекать» в созданные темным веществом потенциальные ямы, туда попадают и фотоны. Но рост плотности барионов в какой-то момент останавливается из-за давления фотонов, начинается расширение этой области. Происходят акустические осцилляции в барионном веществе. Фотоны, попавшие в потенциальные ямы, выходя из них, «покраснеют» (станут более «холодными»). Кроме того, работает эффект Доплера: если излучающее вещество движется в нашу сторону, то фотоны получат сдвиг в синюю сторону спектра (если от нас – то в красную). Наконец, рост плотности барионов соответствует и росту плотности фотонов, что приведет к эффективному повышению температуры в этой области. Соответственно, в результате сложения трех эффектов возникают сложные флуктуации температуры реликтовых фотонов.

Фотонные флуктуации мы можем обнаруживать на угловых масштабах менее одного градуса, исследуя микроволновое реликтовое излучение. Самая мощная деталь, так называемый доплеровский пик, в спектре мощности реликтового излучения соответствует угловому размеру чуть менее градуса. Это размер звукового горизонта на момент рекомбинации – более крупные области не успевают совершить ни одного полуколебания. На меньших масштабах видны более слабые детали, называемые акустическими пиками, они связаны с акустическими осцилляциями в барионном веществе в эпоху рекомбинации.

Первичные неоднородности в распределении плотности вещества можно изучать по их следам в реликтовом фоне.

Наблюдения показывают, что неоднородности температуры по отношению к ее среднему значению составляют примерно 0,00001, это соответствует уровню флуктуаций плотности на момент рекомбинации. Высота акустических пиков в спектре мощности реликтового излучения сильно зависит от доли барионов в полной плотности, а положение пиков – от кривизны пространства. Наблюдения позволяют определить, что наша Вселенная с высокой (меньше 1 %) степенью точности описывается евклидовой геометрией, а доля барионов в полной плотности составляет 4–5 %.

В современной стандартной космологической модели (которая еще нуждается в непосредственном подтверждении) первичные флуктуации плотности связаны со стадией инфляции в ранней Вселенной. По своей природе они квантовые, флуктуирует само поле, отвечающее за инфляцию, – инфлатон. Экспоненциальное раздувание (очень быстрое расширение), которое происходит на стадии инфляции, усиливает вакуумные флуктуации всех полей. Пока колебания поля малы, они просто осциллируют, но, когда расширение растягивает их до масштабов горизонта, они «замерзают», застывают. Впоследствии они становятся зародышами флуктуаций плотности, из которых и начнет расти наблюдаемая сегодня структура Вселенной.

Теория инфляции предсказывает, что начальные возмущения должны быть максимально случайными (гауссовыми) и что у них нет выделенного масштаба. Именно это и подтверждается в настоящее время по данным наблюдений реликтового фона.

Первичные возмущения плотности возникают на стадии инфляции за счет квантовых флуктуаций.

Флуктуации плотности, «замерзшие» на разных стадиях, имеют различный масштаб. Из-за расширения Вселенной этот масштаб растягивается, но это происходит медленнее, чем растет возраст (масштабный фактор растет как корень из возраста на радиационно-доминированной стадии и как возраст в степени 2/3 на стадии доминирования вещества). А размер горизонта линейно зависит от времени (растет как время в первой степени). Поэтому постепенно флуктуации, имеющие размер больше горизонта (такие флуктуации уже не растут), оказываются внутри горизонта, и может начаться их дальнейший рост.

Кроме так называемых скалярных флуктуаций, приводящих в итоге к неоднородности распределения плотности вещества, на стадии инфляции возникают и тензорные флуктуации. Когда они оказываются под горизонтом, то могут наблюдаться как первичные гравитационные волны. Есть надежда обнаружить их существование, изучая особые неоднородности в распределении поляризации реликтового излучения.

Астрономия – наблюдательная наука. Прямой эксперимент в ней невозможен (за редкими случаями изучения тел Солнечной системы). Поэтому практически вся информация в астрономии основана на наблюдениях. Для этого необходимы приборы, которые помогали бы наблюдать слабые объекты и мелкие детали, невидимые невооруженным глазом, а также позволяли бы фиксировать данные для дальнейшего анализа.

Современная астрономия располагает инструментами для наблюдений во всех диапазонах электромагнитного спектра, а также детекторами нейтрино, космических лучей и гравитационных волн. Постоянное совершенствование средств наблюдения, рост их размеров, чувствительности и возможностей позволяют делать все новые и новые открытия, помогающие лучше понять устройство Вселенной.

Телескоп имеет две основные задачи: собрать как можно больше излучения и дать возможность рассмотреть более мелкие детали. Это относится к инструментам, работающим в разных диапазонах спектра (а также с поправками на особенности не только к телескопам, но и к другим типам наблюдательных инструментов в астрономии). Разумеется, многие детали и принципы работы радиотелескопов существенно отличаются от таковых для гамма-обсерваторий, поэтому различия будут рассмотрены отдельно. Однако многие общие положения верны для широкого диапазона электромагнитных волн, и их удобно рассмотреть на примере оптических телескопов.

У телескопа имеются две основные задачи: собрать больше света и рассмотреть более мелкие детали.