В защиту науки № 4 - Эдуард Кругляков

Оказалось, что характерное угловое расстояние между соседними яркими пятнами равно одному градусу (с точностью до 2 %). Это означает, что пространство, в котором происходит космологическое расширение, является плоским. Или, во всяком случае, практически плоским, очень близким к плоскому. Выходит, что природа предпочла самый простой вариант пространственной геометрии мира. Так стала известна геометрия пространства, о чем космологи мечтали почти сто лет.

2.5. Первичный термоядерный реактор. От геометрии мира вернемся снова к его истории. Стандартная ядерная физика и термодинамика позволяют изучить физические условия в космической среде в те ранние эпохи, когда в ней не было не то что галактик или звезд, но даже сложные атомные ядра не могли существовать. Таково состояние мира в первые секунды (!) космологической эволюции. Ядерную физику привнес в космологию Гамов в 1940-1950-е гг., успевший до этого стать классиком ядерной физики (в 1929 г. он создал теорию альфа-распада атомных ядер).

В Гамовской теории горячей Вселенной температура космической среды могла достигать столь высоких значений (многие миллиарды градусов), что тепловая энергия частиц была больше энергии связи нуклонов в атомных ядрах. При таких условиях космическая плазма представляла собой смесь протонов, нейтронов и электронов. Но по мере охлаждения плазмы из-за космологического расширения температура падала, и при значении около нескольких миллиардов градусов в космической среде начались термоядерные реакции (как в водородной бомбе), в ходе которых происходило образование ядер гелия-4, содержащих каждое по два протона и два нейтрона. Точный расчет, проделанный после Гамова Я.Б. Зельдовичем, Р. Вагонером и другими физиками, показал, что за первые три минуты в таком космическом термоядерном реакторе образуется примерно 25 % гелия (по массе). Эта доля гелия должна сохраниться и до нынешней эпохи. На временах, превышающих три минуты, ядерный синтез прекращается: из-за быстрого космологического расширения температура вещества падает до таких значений, при которых термоядерные реакции синтеза гелия уже не идут.

И снова прямой тест: сколько реликтового гелия в современной космической среде? Данные наблюдений говорят: примерно 25 % по массе. Налицо полное согласие теории первичного термоядерного синтеза и реальной распространенности гелия во Вселенной. Эта теория хорошо объясняет также и космическую распространенность реликтовых ядер гелия-3, дейтерия и лития-7.

Этот важнейший результат расширяет наши знания об истории Вселенной вплоть до тех очень давних времен, когда все расстояния в мире были в миллиард раз меньше нынешних, а возраст мира составлял всего несколько минут. Начиная с эпохи первичных термоядерных реакций, космологическая эволюция надежно прослеживается и строго документируется наблюдательными данными.

2.6. Два новых факта. Среди других свидетельств космической эволюции стоит сказать о совсем свежих фактах, которые живо обсуждаются в последнее время. В ходе космологического расширения падает плотность всех невакуумных энергий. В частности, уменьшается число реликтовых фотонов в единице объема. Это, очевидно, означает, что в прошлом число фотонов на единицу объема было больше, чем сейчас. Оказывается, этот вывод можно непосредственно проверить в наблюдениях. Действительно, Д.А. Варшалович (Петербургский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе) обратил внимание на одну особенность в спектрах некоторых простых молекул, наблюдаемых в космической среде на далеких расстояниях, где все расстояния в расширяющемся мире были примерно в три раза меньше нынешних. Оказывается, что населенность возбужденных уровней у этих молекул заметно выше, чем у тех же молекул на близких расстояниях. Но эти возбужденные низкоэнергетические состояния возникают под действием фотонов реликтового излучения. И тот факт, что населенность указанных уровней в прошлом была высока, прямо говорит нам, что реликтовых фотонов тогда было гораздо больше (на единицу объема), чем сейчас.

Другой любопытный факт обнаружен в наблюдениях мощных вспышек космического гамма-излучения. Физическая природа этого явления сама по себе пока не очень понятна, но уверенно установлено, что эти вспышки происходят чаще всего на очень больших расстояниях, соответствующих красным смещениям, которые иногда заметно превосходят единицу. Недавно было выяснено, что регистрируемая длительность космических гамма-вспышек зависит от величины красного смещения (т. е. расстояния до них). От самых далеких из них, обнаруживающих красное смещение около 6, излучение шло так долго, что все расстояния в мире выросли за это время примерно в 7 раз. Оказалось, что и регистрируемая длительность этих вспышек тоже в несколько раз больше (в среднем), чем у подобных же событий, наблюдаемых на сравнительно близких расстояниях. По существу это тот же самый эффект красного смещения. Последний, как мы знаем, проявляется в том, что период электромагнитных колебаний в принимаемом свете больше, чем период тех же колебаний в момент испускания. Но в расширяющемся мире растут не только периоды колебаний, в нем увеличиваются — и притом по тому же закону — любые промежутки времени. Так что наблюдаемое увеличение длительности гамма-вспышек с увеличением красного смещения — ещё одно прямое указание на расширение мира.

Подобный эффект ранее был замечен и в наблюдениях вспышек сверхновых звезд. На малых расстояниях длительность вспышки измеряется, например, четырьмя неделями, а при красном смещении, равном единице, наблюдаемая длительность вспышек звезд того же типа (Ia) составляет, как оказывается, восемь недель. Для сверхновых этот эффект проявляется ещё четче, чем для вспышек гамма-излучения.

3. «Темный сектор» космологии. Изучение «темного сектора» космологии, на который приходится больше 95 % всей энергии/массы в современном мире (см. выше), выходит в наши дни на передний план космологических исследований, становится центральной задачей науки о Вселенной, да и всей фундаментальной физики. Речь идет прежде всего о наблюдательных, эмпирических исследованиях темной материи и темной энергии. Прямые указания как на само существование этих необычных видов космической энергии, так и на их важнейшие физические свойства, следуют из внушительного ряда независимых наблюдательных фактов различного характера.

Начнем с темной материи. Её изучение продолжается уже более 70 лет, и к настоящему времени надежные сведения о ней вытекают из следующих ниже данных.

3.1. Кинематика галактик в больших скоплениях. Начатые ещё Цвикки (см. выше), измерения скоростей движения галактик ведутся сейчас в большом числе скоплений галактик, и эти измерения неизменно указывают на то, что скорости галактик столь же велики (около тысячи километров в секунду), как и в том скоплении, которое в 1930-е гг. изучал Цвикки. Тем самым на новом обширном наблюдательном материале подтверждается первоначальный принципиальный вывод о наличии в мире темной материи.

3.2. Рентгеновский газ в скоплениях. Большие скопления галактик наблюдают в рентгеновских лучах с помощью орбитальных астрономических обсерваторий. Эти наблюдения позволили открыть горячий ионизованный газ в объеме скоплений; этот газ и служит источником рентгеновского излучения. Температура газа близка к ста миллионам градусов, и этой температуре отвечают средние скорости протонов — частиц плазмы, которые практически совпадают со скоростями галактик в этих скоплениях (тысячи километров в секунду). Тем самым рентгеновские наблюдения дают независимый довод в пользу темной материи в скоплениях: горячий газ скоплений не разлетается в окружающее пространство, потому что он погружен в глубокую потенциальную яму, создаваемую в основном мощным тяготением темной материи.

3.3. Эффект Сюняева-Зельдовича. Горячий газ скоплений как индикатор темной материи проявляет себя в наблюдениях реликтового фонового излучения. Рассеиваясь на горячих электронах межгалактического газа скоплений, холодные фотоны реликтового излучения приобретают дополнительную энергию. В результате при наблюдениях на определенной частоте в длинноволновой (рэлей-джинсовской) части спектра обнаруживается «темное пятно» в реликтовом фоне в направлении на скопление. Этот эффект уверенно регистрируется в многочисленных современных наблюдениях. Он независимо свидетельствует о реальном наличии горячего газа в скоплениях галактик, что в свою очередь ведет к выводу о наличии темной материи в скоплениях.

3.4. Эффект гравитационной линзы. Скопления галактик создают эйнштейновский эффект отклонения луча света полем тяготения. Источником света служат в этом случае далекие галактики и квазары. Изображения галактик искажаются при прохождении их света в гравитационном поле скопления, служащего своеобразной гравитационной линзой. Различают сильное и слабое линзирование. При сильном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Это происходит в том случае, когда угловое расстояние между направлением на линзу и направлением на источник относительно невелико. При сравнительно больших угловых расстояниях искажение не так значительно (слабое линзирование) и оно сводится к изменению видимой формы источника, но уже без дробления его изображения. В обоих случаях этот эффект дает указание на массу скопления, служащего гравитационной линзой. Изучая такие искажения для сотен тысяч и миллионов далеких галактик, можно получить сведения о величине и распределении массы в скоплениях-линзах. Наблюдения такого рода неизменно показывают, что скопления содержат большие массы темной материи, которые в несколько раз превышают массу содержащегося в них обычного вещества.