Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Попробуем восстановить основные черты эволюции Вселенной и ее характеристики. При этом под Вселенной, как и везде в этой книге, я буду подразумевать конкретный объект — расширяющийся пузырек пространства-времени, возникший около 14 млрд лет назад. Слово Вселенная я всегда пишу с большой буквы, имея в виду что она, возможно, не является единственной, и что существует бесчисленное множество других вселенных, подобно тому, как за пределами нашей Галактики существуют миллиарды других галактик (см. следующий параграф).

Итак, соберем воедино кусочки мозаики и представим себе портрет окружающей нас Вселенной. Сначала о том, что видно, то есть о распределении галактик. На относительно небольших масштабах их распределение сильно неоднородно — яркие галактики окружены свитами из карликовых галактик, галактики часто образуют пары и группы, существуют гигантские конгломераты галактик — скопления и, наконец, на масштабах десятков мегапарсеков наблюдаются сверхскопления, волокна (филаменты) и пустоты (войды) (рис. 41). Что же дальше? Есть ли во Вселенной более крупные образования? Нет, как показывают наблюдения, по мере роста масштаба усреднения распределение галактик становится все более и более однородным. (Напомню, что сильнейшим аргументом в пользу глобальной однородности Вселенной является также удивительная изотропия реликтового излучения, характеризующего распределение плотности во Вселенной при z ~1000.) Об этом же свидетельствуют и теоретические работы, посвященные моделированию образования структур во Вселенной.

Рис. 41. Крупномасштабное распределение 62 559 галактик (точки) в двух узких (толщиной 3°) конических разрезах по данным обзора 2dF. Земля находится в центре рисунка, вдоль радиуса отложено красное смещение, максимальному z соответствует расстояние около 1 гигапарсека. (Рисунок с сайта www.mso.anu.edu.au/2dFGRS/)

На рис. 42 в качестве примера показаны результаты численных расчетов формирования крупномасштабной структуры Вселенной в рамках стандартной космологической модели, учитывающей вклад Λ-члена и скрытой массы (так называемая Λ-CDM модель). Эти, и другие подобные им, расчеты стартуют с исходно почти однородного распределения скрытой массы, прослеживают рост индивидуальных сгущений темной материи — темных гало, затем рассматривается, как эти гало нагребают газ из окружающего пространства, в них стартует процесс рождения звезд и, наконец, «вылупляется» звездная галактика. Отдельные этапы этого процесса поняты, конечно, еще плохо, но в целом в этом сценарии удается хорошо воспроизвести как особенности пространственного распределения (наличие структур на небольших масштабах, крупномасштабную однородность), так и удовлетворительно описать свойства самих галактик. Естественно, сравнение наблюдений (рис. 41) и расчетов (рис. 42) осуществляется не просто разглядыванием картинок (они, действительно, похожи), а детальным математическим анализом.

Рис. 42. Крупномасштабное распределение галактик в современную эпоху по данным численных расчетов (Шпрингел и др. 2005). Размер показанной области составляет примерно 0.5 гигапарсека.

Основные характеристики Вселенной суммированы в следующей таблице. Таблица 1. Основные характеристики Вселенной

Таблица основана на результатах семилетней работы космической обсерватории WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), наблюдавшей реликтовое излучение, в сочетании с данными по барионным акустическим флуктуациям (см. предыдущий раздел) и по космологическим сверхновым. Насколько точны эти числа? Формальная точность очень высока. Например, значение постоянной Хаббла в современную эпоху оценивается с точностью около ± 1 км/с/Мпк, остальные характеристики также известны с погрешностью в несколько процентов. Лет 20–30 назад это показалось бы просто фантастикой — например, значение H₀ у разных авторов в те годы варьировалось от 50 до 100 км/с/Мпк, да и оценки других параметров различались в разы. Один из наиболее интересных параметров — это, конечно, полная плотность Ω, поскольку она определяет геометрию Вселенной. Как видно из таблицы, плотность вещества Ω_m = Ω_b + Ω_dm равна 0.28, плотность темной энергии составляет 0.72 и Ω равна 1.00 (вкладом остальных ингредиентов Вселенной, например, излучения, можно пренебречь). Точность определения Ω все время растет и по современным оценкам отличие Ω от единицы не превышает 1–2 процента, так что нашу Вселенную с большой точностью можно считать плоской (кривизна пространства близка к нулю).