Маленькая книга о Большом взрыве

Самое удивительное, что в результате серии наблюдений, проведенных как с Земли, так и со спутников, существование гармоник все-таки было подтверждено. Например, карта «Планка», показывающая первичные флуктуации плотности, может быть преобразована в звуковой спектр. График акустических колебаний барионов (большинству специалистов они известны как звуковые волны, но отдельные энтузиасты зовут их отпечатками руки Бога), показывают на всех семинарах по космологии. На рис. 16 вы можете увидеть, что первый пик этого графика – основное колебание Вселенского орга́на, остальные же представляют собой обертоны.

Рис. 16

Поскольку сжатие материи зависит от скорости расширения Вселенной, а оно, в свою очередь, зависит от ее содержимого, график это должен отражать. Спектр колебаний CMBR действительно стал одним из наиболее тонких способов тестирования имеющихся космологических моделей. В закрытой Вселенной (то есть загнутой в форме сферы) удаленный объект будет казаться больше, чем в плоском пространстве. На графике такой Вселенной пики сместились бы в сторону бо́льших угловых размеров, то есть влево. Но нахождение пиков там, где мы их наблюдаем, возможно лишь при условии, что наша Вселенная плоская. Именно поэтому я сказал в главе 3, что геометрия нашей Вселенной почти евклидова или, другими словами, плоская.

Если Вселенная действительно плоская, то совокупная плотность всех ее компонентов – обычной материи, излучения, темной материи и темной энергии – по определению должна равняться критической плотности, о которой мы говорили в главе 4. В этом случае великая космологическая игра будет состоять в подборе пропорции составляющих так, чтобы они максимально соответствовали наблюдаемому графику.

Для примера рассмотрим материю. Если бы обычная барионная материя (то есть нейтроны и протоны) была единственной материей во Вселенной, она бы начала сгущаться только в тот момент, когда освободилась бы от давления света, то есть в эпоху рекомбинации. Но в настоящий момент мы уверены, что большую часть материи во Вселенной составляет темная материя, ни в каком виде не взаимодействующая со светом. Следовательно, давление света ранней Вселенной никак на нее не влияло, и она не играла никакой роли в акустических колебаниях.

Темная материя проявляет себя через гравитацию, поэтому она должна была бы сжаться. В самом деле: если бы она состояла из WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц), в сто раз превышающих массу протона, она бы начала сгущаться почти сразу после Большого взрыва. В таком случае присутствие темной материи стало бы заметно в тот момент, когда материя во Вселенной начала преобладать, то есть еще до начала рекомбинации, и это привело бы к появлению центров гравитации, ускорявших формирование скоплений барионной материи. Ускорение сжатия, в свою очередь, привело бы к увеличению пиков в первичном звуковом спектре.

А теперь давайте представим, что темная материя состоит из нейтрино. Темная материя все равно останется темной материей, и в этом смысле нейтрино ничем не будет отличаться от WIMP. Единственное отличие состоит в том, что в существовании нейтрино мы точно уверены. Нейтрино тоже могли бы создавать гравитационные центры, подталкивая барионы к сжатию. Но здесь мы сталкиваемся с другой проблемой: в отличие от WIMP, нейтрино остаются экстремально легкими частицами, скорость которых приблизительно равна скорости света в ранней Вселенной. Эта высокая скорость просто не позволяла бы им слипаться под воздействием гравитации – если только их количество не составляло в совокупности целое сверхскопление. В таком случае размеры центров формирования ядер материи приблизительно должны были равняться размерам Вселенной, а маленьких структур вроде шаровых звездных скоплений просто не возникало бы.

Частицы, движущиеся на высокой скорости, называют горячей темной материей, а медленные вроде WIMP – холодной темной материей. В целом более высокие обертоны акустического спектра, соответствующие небольшим скоплениям, в моделях с горячей темной материей просто отсутствуют. Но поскольку высокие обертоны все-таки существуют, космологи склонны верить, что темная материя холодная.