13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Истинная природа этих случаев анизотропии – флуктуаций – определяется соотношением двух противоречащих друг другу явлений расширяющейся Вселенной. Концентрированные множества барионов (по сути, находящиеся внутри объемов темной материи, которая, впрочем, не взаимодействует с электромагнитным излучением) образуют гравитационное сжатие и усугубляют проявления анизотропии. Но пока материя достаточно горяча, чтобы взаимодействовать с электромагнитным излучением, быстро движущиеся фотоны (частицы электромагнитного излучения) имеют тенденцию к разглаживанию неоднородностей в распределении барионов. Противостояние этих двух явлений приводит к таким эффектам, как барионные акустические осцилляции (БАО). Это своеобразные волны давления (звука) в веществе юной Вселенной. Из-за взаимного влияния материи и излучения одни длины волн усиливаются, а другие затухают. Получающаяся комбинация длин волны несет в себе множество данных о Вселенной, если человек в состоянии ее интерпретировать.

Для интерпретации нужно найти способ выяснить, какие длины волн присутствуют в реликтовом излучении и насколько они интенсивны. К счастью, у астрономов как раз есть подходящий для этого инструмент. Техника, позволяющая распутать различные регулярные вариации, соединенные в сложный узор, называется анализом энергетического спектра. Она работает почти безупречно, если такой сложный узор действительно состоит из комбинации простых. Так, если на гитаре взять аккорд, каждая из шести струн будет звучать своей нотой, что создаст кажущееся сложным сочетание волн давления, которое мы воспринимаем как особый звук. Этот звук можно записать с помощью микрофона, перевести в электрические сигналы и вывести, например, на экран компьютера в виде запутанного нагромождения осциллограмм. Анализ энергетического спектра способен разобрать эту путаницу на отдельные ноты, взятые на каждой струне. Он также определит, насколько громкой была каждая нота (насколько интенсивен каждый компонент спектра). Если датчик реликтового излучения достаточно чувствителен, то «аккорды», формируемые этим микроволновым излучением, можно проанализировать аналогичным образом и определить, какие «ноты» играли в момент фиксации узора БАО на поверхности последнего рассеяния, когда материя «развязывалась» с электромагнитным излучением.

Из осцилляций можно извлечь много интересного. Если провести другую аналогию и уподобить флуктуации нотам, производимым трубами церковного органа, то можно сказать, что физик может по ним узнать многое о строении органа (например, длину труб), не видя самого инструмента. Энергетический спектр реликтового излучения обычно выглядит как график, на котором отложено количество энергии в разном масштабе (для осцилляций разной интенсивности): более крупные левее, мелкие правее. Пиковые значения графика соответствуют точкам с мощными осцилляциями, «провалы» – со слабыми. На графике бывает один крупный пик и, правее, постепенно сходящий на нет ряд мелких. Первый пик не удавалось уловить даже СОВЕ, хотя в последующие годы он с достаточной точностью отмечался приборами, поднимаемыми на воздушных шарах, и некоторыми наземными наблюдениями. К 2000 году положение главного пика отслеживалось уже очень хорошо, и из него можно было сделать вывод о кривизне Вселенной и получить важнейшее доказательство того, что Вселенная плоская, а также засвидетельствовать ее плотность и существование темной материи и темной энергии. Теоретики знали, что соотношение высоты первого и второго пиков может сказать нам о том, какой процент материи на самом деле барионный (независимо от доводов вроде тех, что базируются на «барионной катастрофе»), а в третьем содержится информация о плотности темной материи. Но у СОВЕ не было нужной чувствительности, чтобы узнать об этих пиках больше, и даже аппаратура на воздушных шарах давала только грубые ориентиры (эксперименты с ней задействуют не все небо; к тому же шары не могут работать так долго, как спутники). Все, что можно было сделать, – это объединить самые точные измерения мелких случаев анизотропии, которые удастся сделать с Земли и шаров (на отдельных участках неба), с точными измерениями крупных проявлений анизотропии во время исследований всего неба. И тут появилось новое поколение спутников.

Истинная правда

Первым из таких спутников стал WMAP (дабл-ю-мэп – от первой буквы фамилии Wilkinson и английского слова «карта»), запущенный 30 июня 2001 года. Изначально MAP расшифровывалось как Microwave Anisotropy Probe (зонд микроволновой анизотропии), но в 2003-м к сокращению добавили W в честь умершего незадолго до этого Дэвида Уилкинсона, одного из руководителей проекта. Миссия была запланирована в 1995 году, одобрена в 1997-м и готова к 2001-му – скорость развития событий доказывает ее важность и то, насколько успех СОВЕ активизировал эту область исследований. Датчики WMAP были в 45 раз чувствительнее датчиков СОВЕ: они могли «разглядеть» объекты с угловым размером в 35 раз меньше, чем их предшественники, то есть всего в одну пятую градуса, примерно треть видимого размера полной Луны[201]. WMAP к тому же мог проводить наблюдения на пяти длинах волн. Изначально планировалось использовать его два года, но он показал себя так хорошо, что исследования были продлены еще и еще раз и в итоге спутник проработал девять лет. После завершения работ в 2010 году он был перемещен на орбиту захоронения, где находится и поныне, не мешая работе следующих поколений спутников и совершая оборот вокруг Солнца 14 раз за 15 лет.

Уже с самого начала наблюдений WMAP превзошел все ожидания. Данные со спутника четко указывали на возраст Вселенной в 13,4 ± 0,3 млрд лет при значении постоянной Хаббла в 72 ± 5, с менее чем 5 % от массы Вселенной в виде барионов и общей массе материи примерно в 28 % от необходимой для плоскости Вселенной (то есть на долю темной энергии приходятся 72 %). Узор флуктуаций в целом совпал с прогнозом по инфляции[202].

Когда данные WMAP были сопоставлены с измерениями из других источников, в том числе с воздушных шаров, космологические параметры удалось еще больше уточнить, и по мере накопления объема наблюдений WMAP результаты продолжали сужать допуски. Одно из важнейших дополнительных измерений было сделано при изучении галактик, которое показало влияние БАО на распределение по небу миллионов звездных миров. По итогам девяти лет работы с WMAP его данные без учета других наблюдений указывали на возраст Вселенной, равный 13,74 ± 0,11 млрд лет, значение Н, равное 70,00 ± 2,2, барионную плотность 4,6 %, плотность ХТМ 24 % и массовую долю темной энергии 71 %. Эта оценка Н полностью независима от традиционной, основанной на методе цефеид. Совпадение (в пределах погрешности) этих результатов стало поразительным подтверждением того, что вся модель ɅCDM достоверно описывает Вселенную. Чтобы доказать это, добавлю, что кривизна пространства была уточнена в пределах 0,4 % от полной плоскостности. Учет данных от других видов наблюдений корректирует эти величины очень незначительно: возраст Вселенной повышается до 13,772 ± 0,059 млрд лет. …Но когда срок работы WMAP истек, на орбиту был выведен новый спутник – «Планк», запущенный Европейским космическим агентством. Он продолжил сужать рамки погрешностей.

Спутник «Планк», названный в честь первооткрывателя природы излучения черного тела, был одним из двух чрезвычайно успешных спутников, выведенных на орбиту одной ракетой «Ариан-5» 14 мая 2009 года. Первое предложение по созданию этого спутника поступило в ESA в 1993 году (за два года до подачи идеи WMAP в НАСА), таким образом, на всю подготовку проекта ушло шестнадцать лет. Столь тщательный подход вылился в создание очень чувствительного спутника с самой передовой аппаратурой. Его датчики «видели» в три с лишним раза лучше датчиков WMAP, то есть могли фиксировать отклонение температуры реликтового излучения на одну миллионную градуса, обрабатывали более широкий спектр длин волн и могли обнаруживать горячие и холодные точки размером всего в 1/12 градуса – в два раза лучше WMAP. Результативность спутника «Планк» стала новым стандартом космологии, пока на орбите не появились еще более чувствительные приборы. Второй спутник, «Гершель», занимался исследованием Вселенной в инфракрасных лучах. Некоторые из моих коллег по Сассекскому университету входили в его команду, и я вместе с ними наблюдал за запуском «Ариан-5» онлайн на большом экране в университете (я тактично не сообщил коллегам, что спутник «Планк» мне более интересен). После ряда маневров «Планк» достиг рабочей орбиты 3 июля 2009 года и продолжал наблюдения до октября 2013 года, когда у него закончился запас охлаждающего жидкого гелия и топлива, его перевели на «кладбище» спутников и отключили.

Первые подробные результаты исследований «Планка» всего неба были опубликованы в марте 2013 года: они слегка уточняли результаты WMAP. Именно тогда везде стали писать, что возраст Вселенной равен 13,82 млрд лет, и именно тогда я задумался над написанием этой книги. Если быть точным, в то время данные спутника «Планка» предполагали возраст в 13,819 млрд лет. При добавлении данных о влиянии БАО на галактики и других выходило, что самое вероятное значение – 13,798 ± 0,037 млрд лет. Еще более подробный анализ данных «Планка», завершенный в конце 2014 года и обнародованный в феврале 2015-го, показал, что значение постоянной Хаббла составляет 67,8, а нашей Вселенной 13,799 млрд лет. При добавлении данных от сверхновых типа 1а и БАО значение постоянной Хаббла снижается до 67,74, но возраст Вселенной остается на уровне 13,799 с погрешностью до +0,021 млрд лет. Округляя до десятых для ясности, можно утверждать, что с максимальной вероятностью нашей Вселенной 13,8 млрд лет. Возможно, это число еще изменится, и нам стоит сделать паузу, чтобы уместить в голове тот факт, что на конец 2015 года космологические дискуссии вращаются вокруг уже второго порядка после запятой, а не вокруг принципиальных расхождений в теории. Данные «Планка» и WMAP отлично согласуются друг с другом, просто первые чуть точнее вторых. Важно отметить, что это согласование намного важнее наличия расхождений. Даже если сравнить их основные показатели без учета погрешностей, оба комплекта наблюдений выдают значения, различающиеся всего примерно на 100 млн лет – из 14 миллиардов! «Ошибка» составляет менее 1 %.