В начале прошлого века благодаря работам Хаббла и других астрономов стало понятно, что Вселенная, во-первых, не ограничивается Млечным путём (последний – не Галактика, а просто галактика, одна из многих), а во-вторых, все галактики разлетаются друг от друга, как точки на поверхности надуваемого воздушного шарика. Но если шарик надувается, значит в прошлом он был меньше.
В случае со Вселенной это означает, что в прошлом она была меньше, а следовательно, горячее и плотнее. Чем дальше в прошлое, тем всё это сильнее проявляется, и в какой-то момент нашей мысленной экстраполяции назад по шкале времени мы доходим до единой точки — так называемой сингулярности.
В итоге у нас выстраивается логичная цепочка: сингулярность — Большой взрыв — Вселенная началась.
Но с последней трети XX века наблюдения начали выдавать нам больше вопросов, чем ответов. В результате в 1980-х космологи разработали теорию космической инфляции, согласно которой никакой сингулярности не было, а Большому взрыву предшествовало другое, особое состояние Вселенной – инфляционное. В XXI веке мы постепенно начинаем получать доказательства существования Вселенной до Большого взрыва.
Если говорить исключительно о горячем Большом взрыве, который мы экстраполируем в прошлое до сингулярности, при такой схеме Вселенная сможет достигать произвольно высоких температур и энергий. Хотя у Вселенной и будут «средние» плотность и температура, в ней будут присутствовать несовершенства: области повышенной и пониженной плотности. По мере расширения и охлаждения Вселенной вступит в действие гравитация, и более плотные области будут притягивать к себе больше материи и энергии, увеличиваясь со временем, в то время как менее плотные области будут преимущественно отдавать свою материю и энергию в более плотные соседние области, зарождая таким образом структуру космической паутины.
Мы можем описать самую раннюю Вселенную как горячую, плотную, быстро расширяющуюся, заполненную материей и излучением. То есть, проще говоря, как результат горячего Большого взрыва. Но было оно так, или не было в самом начале – чтобы решить это, необходимо найти доказательства. Различия между Вселенной, начавшейся сразу с горячего Большого взрыва, и Вселенной, у которой до этого была фаза инфляции, положившая этому взрыву начало, тонкие, но чрезвычайно важные. И если мы хотим узнать, каким было самое начало Вселенной, нам нужно искать свидетельства в самой Вселенной.
Особенности строения космической паутины определяются на более раннем этапе эволюции Вселенной. Сегодняшние звёзды, галактики, скопления галактик и нитевидные структуры самых больших масштабов можно проследить по несовершенствам плотности, возникшим во время первого образования нейтральных атомов во Вселенной, поскольку эти «семена» в течение сотен миллионов и даже миллиардов лет вырастали в богатую космическую структуру, которую мы видим сегодня. Эти семена существуют по всей Вселенной и сохраняются даже сегодня в виде температурных несовершенств в оставшемся после Большого взрыва свечении — реликтовом излучении.
Сравнение изображений реликтового излучения, полученных обсерваториями COBE, WMAP и «Планк»
Как показали измерения спутника WMAP в 2000-х годах и его преемника, спутника «Планк», в 2010-х годах, эти температурные колебания наблюдаются на всех масштабах, и они соответствуют колебаниям плотности в ранней Вселенной. Эта связь объясняется гравитацией и тем, что в рамках общей теории относительности наличие и концентрация материи и энергии определяют кривизну пространства. Свет должен пройти путь от области пространства, где он зародился, до «глаз» наблюдателя. В таком случае регионы с избыточной плотностью, с большим количеством материи и энергии, чем в среднем, будут казаться холоднее среднего, так как свету приходится «выбираться» из гравитационного колодца потенциальной энергии. Области с низкой плотностью, с меньшим количеством материи и энергии, чем в среднем, будут казаться более горячими, так как из них свету выбираться проще. Области средней плотности будут соответствовать средней температуре реликтового излучения.
Но откуда изначально взялись эти несовершенства? Эти температурные несовершенства, которые мы наблюдаем в остаточном свечении Большого взрыва, пришли к нам из эпохи, которая наступила через 380 000 лет после начала горячего Большого взрыва, что означает, что они уже пережили 380 000 лет космической эволюции. И в зависимости от выбранной вами теории история может выглядеть по-разному.
Согласно «сингулярному» объяснению Большого взрыва, Вселенная просто «родилась» с изначальным набором несовершенств, и эти несовершенства росли и развивались в соответствии с правилами гравитационного коллапса, взаимодействия частиц и излучения, взаимодействующего с материей, включая различия между нормальной и тёмной материей.
Однако согласно инфляционной теории происхождения, в которой горячий Большой взрыв возникает только после периода космической инфляции, эти несовершенства заложены квантовыми флуктуациями — то есть флуктуациями, возникающими из-за присущего квантовой физике соотношения неопределённости энергии и времени, которые происходят во время инфляционного периода, когда Вселенная расширяется экспоненциально. Эти квантовые флуктуации, генерируемые на самых малых масштабах, растягиваются до больших масштабов в результате инфляции, а новые, более поздние флуктуации накладываются на них, создавая суперпозицию этих флуктуаций на всех масштабах расстояния.
Карта реликтового излучения от «Планка»
Эти две картины концептуально различны, но для астрофизиков они интересны тем, что каждая из них приводит к потенциально наблюдаемым различиям. В «сингулярной» картине Большого взрыва типы флуктуаций, которые мы ожидаем увидеть, ограничены скоростью света: расстояние, на которое мог бы распространиться сигнал — гравитационный или иной — если бы он двигался со скоростью света через расширяющуюся Вселенную, которая началась с единичного события, известного как Большой взрыв.
Но во Вселенной, которая претерпела период инфляции до начала горячего Большого взрыва, можно было бы ожидать флуктуации плотности на всех масштабах, в том числе на масштабах больших, чем скорость света могла бы позволить сигналу распространиться с момента начала горячего Большого взрыва. Поскольку инфляция по существу «удваивает» размер Вселенной во всех трёх измерениях с каждой прошедшей крошечной долей секунды, флуктуации, произошедшие несколько сотен долей секунды назад, уже растянуты до масштабов, превышающих наблюдаемую в настоящее время Вселенную.
Хотя более поздние флуктуации накладываются на более ранние, более крупномасштабные флуктуации, инфляция позволяет нам начать Вселенную со сверхкрупномасштабных флуктуаций, которые не должны существовать во Вселенной, если бы она началась с сингулярности Большого взрыва без инфляции.
Другими словами, для проверки теорий мы можем изучить Вселенную во всех её деталях и убедиться в том, есть у неё определённая ключевая особенность, или нет, а именно: то, что космологи называют сверхгоризонтными флуктуациями. В любой момент истории Вселенной существует предел того, как далеко мог бы пройти сигнал, распространяющийся со скоростью света с момента начала горячего Большого взрыва, и этот предел определяет так называемый космический горизонт.
На масштабы меньше горизонта (субгоризонтные масштабы) может влиять физика, произошедшая с момента начала горячего Большого взрыва. Масштабы, сравнимые с горизонтом — это верхний предел того, на что могли повлиять физические сигналы с момента начала горячего Большого взрыва. А масштабы, превышающие горизонт, выходят за пределы того, что могло быть вызвано физическими сигналами, появившимися в момент или после начала горячего Большого взрыва.
Другими словами, сигналы на сверхгоризонтных масштабах — отличный маркёр, позволяющий отличить Вселенную, которая началась с единичного горячего Большого взрыва (в такой Вселенной их вообще не должно быть), от инфляционной Вселенной, в которой был инфляционный период до начала горячего Большого взрыва (в которой должны присутствовать эти сверхгоризонтные флуктуации).
К сожалению, простого взгляда на карту температурных колебаний реликтового излучения недостаточно, чтобы различить эти два сценария. Эту карту температур можно разбить на различные компоненты, от малых до больших угловых масштабов на небосклоне. Проблема заключается в том, что у флуктуаций на самых больших масштабах могут быть две причины. Конечно, они могут возникнуть из флуктуаций, возникших во время инфляционного периода. Но они также могут быть созданы просто гравитационным ростом структуры более поздней Вселенной — в поздние времена её горизонт стал значительно больше того, что был когда-то давно.
Например, если речь идёт только о гравитационном потенциальном колодце, из которого фотону нужно «выбраться», это будет стоить фотону энергии; в физике это известно как эффект Сакса-Вольфа, и он имеет место для реликтового излучения в точках, из которых фотоны были испущены впервые. Однако если ваш фотон по пути попадает в гравитационный потенциальный колодец, он приобретает энергию, а затем, когда он снова выныривает на пути к вам, он теряет энергию. Если несовершенства либо увеличиваются, либо уменьшаются со временем – а это может происходить множеством способов во Вселенной, наполненной тёмной энергией — то различные области пространства могут казаться более горячими или более холодными, чем в среднем, в зависимости от роста (или уменьшения) несовершенства плотности внутри них. Это известно как интегрированный эффект Сакса-Вольфа.
Поэтому, когда мы смотрим на температурные несовершенства в реликтовом излучении на больших космических масштабах, мы не можем извлечь из них достаточной информации, чтобы понять, были ли они порождены эффектом Сакса-Вольфа и обусловлены инфляцией, были ли они порождены интегрированным эффектом Сакса-Вольфа и обусловлены ростом/сжатием структур, или они вызваны какой-то комбинацией этих двух факторов.
К счастью, однако, это не единственный способ получения информации о Вселенной; мы также можем изучить данные о поляризации этого излучения. Когда свет проходит через Вселенную, он взаимодействует с веществом внутри неё, в частности, с электронами. Однако обнаружения поляризации самого по себе будет недостаточно для того, чтобы доказать существование сверхгоризонтных флуктуаций.
В данном случае необходимо провести корреляционный анализ: между поляризованным светом и температурными флуктуациями в реликтовом излучении и соотнести их на одинаковых угловых масштабах. В обоих случаях мы ожидаем увидеть субгоризонтные корреляции, как положительные, так и отрицательные, между поляризацией E-моды и флуктуациями температуры в реликтовом излучении.
В обоих случаях мы ожидаем, что на масштабах космического горизонта, соответствующих угловым масштабам около 1 градуса (и мультипольному моменту около l = 200 — 220), эти корреляции будут равны нулю. Однако на сверхгоризонтных масштабах сценарий «сингулярного Большого взрыва» будет иметь только один большой положительный «всплеск» корреляции между поляризацией Е-моды и флуктуациями температуры в реликтовом излучении, соответствующий моменту образования большого числа звёзд и реионизации межгалактической среды.
В сценарий «инфляционного Большого взрыва» кроме этого входит ещё и серия отрицательных корреляций между поляризацией Е-моды и флуктуациями температуры на сверхгоризонтных масштабах, или масштабах между примерно 1 и 5 градусами (или мультипольными моментами от l = 30 до l = 200).
Выше приводится самый первый график, опубликованный командой WMAP в 2003 году, целых 20 лет назад, показывающий то, что космологи называют спектром кросс-корреляции TE: корреляции на всех угловых масштабах, которые мы видим между поляризацией E-моды и температурными флуктуациями в реликтовом излучении.
В субгоризонтных масштабах положительные и отрицательные корреляции присутствуют, но в сверхгоризонтных масштабах в данных явно появляется большой «провал», который согласуется с инфляционным (сплошная линия) предсказанием и окончательно не согласуется с неинфляционным, сингулярным предсказанием Большого взрыва (пунктирная линия).
Конечно, это было 20 лет назад, и спутник WMAP был заменён спутником Планк, который превосходил его по многим параметрам: он рассматривал Вселенную в большем количестве диапазонов длин волн, спускался на меньшие угловые масштабы, обладал большей температурной чувствительностью, использовал специальный прибор для поляриметрии и делал выборку всего неба большее количество раз, что ещё больше уменьшало ошибки и неопределённости. Когда мы смотрим на окончательные данные Планка от 2018 года по кросс-корреляции, приведённые ниже, результаты поражают воображение.
Исходя из графика, не может быть никаких сомнений в том, что во Вселенной действительно существуют сверхгоризонтные флуктуации. То, что мы видим их не просто из-за реионизации, а именно в том виде, в котором они должны существовать при наличии эпохи инфляции, является неоспоримым доказательством: неинфляционная, сингулярная модель Большого взрыва не соответствует наблюдаемой нами Вселенной. Вместо этого мы можем экстраполировать Вселенную в прошлое только до определённой точки в контексте горячего Большого взрыва, а до этого момента там должно было существовать инфляционное состояние.
К сожалению, это пределы наших наблюдательных возможностей: флуктуации и другие сигналы в более крупных масштабах не оказывают никакого влияния на Вселенную, которую мы можем видеть. Существуют и другие способы проверки теории инфляции, однако проверку на сверхгоризонтные флуктуации легко выполнить, и она абсолютно надёжна.
Одного этого достаточно, чтобы сказать нам, что Вселенная началась не с горячего Большого взрыва, а скорее всего, ему предшествовало и породило его инфляционное состояние. Хотя об этом открытии обычно не говорят в таком ключе, оно само по себе легко может считаться достижением, достойным Нобелевской премии.
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали? 🚀
Автор: Валерий Исаковский
