Маленькая книга о Большом взрыве

Аналогичная ситуация царила в ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва первичный бульон из частиц был равномерно распространен по Вселенной, но спустя некоторое время гравитационное притяжение материи заставило его сгущаться то тут, то там. Атмосферного давления в ранней Вселенной не было, зато было световое. Мы уже знаем из главы 5, что фотоны до начала эпохи рекомбинации не могли преодолевать большие расстояния, не столкнувшись с электроном. Ударяясь о материю, фотоны оказывали на нее давление, словно ветер на паруса космического корабля, движимого солнечным светом. Это давление не позволяло материи коллапсировать под действием собственного веса, создавая акустические колебания, похожие на звуковые волны в воздухе.

Главное различие между воздухом в комнате и светом в ранней Вселенной состоит в том, что первичный бульон ранней Вселенной был намного плотнее, чем воздух. Скорость звука в стали – притом что она тверже воздуха – больше, чем в воздухе, в 17 раз, а в ранней Вселенной величина скорости «звука» составляла 60 % от скорости света. Соответственно, первые структуры во Вселенной должны были бы образоваться из столь плотного материала, что даже самая маленькая структура была бы массивнее сверхскопления галактик с видимой массой около 10¹⁶ солнц и развалилась бы. Другими словами, на первых этапах существования Вселенной никакие структурные объекты просто не могли бы сформироваться.

Конечно, нельзя забывать о том, что CMBR появилось только в эпоху рекомбинации, когда сформировались нейтральные атомы, а фотоны перестали сталкиваться с частицами материи. То есть давление света на материю упало практически до нуля, в результате чего первичный бульон стал существенно более разреженным. В результате наименее крупные структуры могли коллапсировать. Их масса приблизительно должна была равняться 10⁵ массы Солнца, то есть меньше одной миллионной массы Млечного Пути – приблизительно столько же, сколько весит шаровое звездное скопление.

До того как разделиться в период рекомбинации, фотоны и частицы материи находились в одном первичном бульоне, и поэтому при увеличении плотности материи плотность фотонов тоже увеличивалась.

Сегодня эти крохотные вариации в плотности фотонов проявляются в легких вариациях температуры CMBR. Именно они были названы отпечатками пальцев Бога: их обнаружил спутник COBE, тщательно замерил спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а затем – с еще большей точностью – спутник «Планк». И хотя диапазон флуктуаций составлял всего лишь от одной сотой до одной тысячной градуса, их значение достаточно велико, чтобы служить доказательством формирования структур, наблюдаемых нами сегодня, в результате тех самых гравитационных коллапсов. Сегодня наиболее распространенным среди ученых стал сценарий коллапсов «снизу вверх»: вначале формируются небольшие структуры, они объединяются во все более крупные. Сверхскопления образуются и тогда, когда вы читаете эту книгу.

Мы точно ничего не упустили в нашей картине Вселенной?

10 Орга́н, на котором играет Вселенная

Наше недавнее сравнение Вселенной с комнатой возможно лишь с одной существенной оговоркой: в отличие от комнаты, Вселенная расширяется. Поскольку расширение заставляет структуры внутри Вселенной удаляться друг от друга, оно препятствует возникновению в ней гравитационного коллапса. Насколько ей это удастся, зависит от скорости расширения, которая, в свою очередь, зависит от того, из каких компонентов состоит Вселенная и сколько их.

Поскольку ни фотоны, ни темная энергия не ведут себя так, как материя, кажется довольно логичным, что скорость расширения Вселенной зависит не только от плотности ее компонентов, но и от их природы. Вселенная, состоящая по большей части из видимой или темной материи (то есть Вселенная с преобладающей материей, как мы назвали ее в главе 5), характерна тем, что скорость ее расширения постоянно снижается. В то же время во Вселенной, в которой преобладает излучение, то есть главную роль играют фотоны и нейтрино, расширение тоже замедляется, но коэффициент замедления будет иным; что же касается Вселенной, наполненной темной энергией (то есть подчиненной закону космологической постоянной), то скорость ее расширения не меняется. Сильно искривленная Вселенная также имеет свои особенности поведения.

Учитывая, что скорость расширения Вселенной в значительной степени зависит от ее компонентов, вы можете догадаться, что изменение их пропорционального состава влияет на сценарий образования галактик. Этот принцип сильно играет нам на руку, ведь благодаря ему космологи могут исключить бо́льшую часть ошибочных предположений. Но здесь перед нами встает вопрос: каковы точные пропорции компонентов, позволяющих галактикам формироваться сегодня?

* * *