Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

В последние годы возникло предположение, что существует теневой мир, состоящий из частиц, которые вообще не взаимодей-ствуют ни с одним детектором и влияние которых проявляется только в виде гравитации и связанной с ней кривизны пространства. Поскольку наблюдать такие частицы безумно сложно, вопрос об их существовании остается темой для отвлеченных дискуссий. Теневой мир может существовать, и даже в этот самый момент большие глыбы теневого вещества могут проходить сквозь нас, но способа убедиться в этом у нас нет. Если огромное количество темной материи, проявляющей себя через гравитацию, мы не сможем объяснить ничем другим, то последней возможностью останется теневой мир.

Рис. 25.5. Сверхновая, взорвавшаяся в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, видна как яркая звезда чуть правее центра. С разрешения European Southern Observatory.

Обычное вещество вносит примерно 4 % в критическую плотность, а темная материя — около 25 %. Но если общая геометрия Вселенной плоская, а у нас есть веские причины не сомневаться в этом, поскольку на это указывают свойства космического фонового излучения, то должен существовать недостающий компонент массы, который не является ни обычным темным веществом, ни темной материей. Как нам уже известно, этот новый компонент называется темной энергией. Что скрывается за словом «темный», пока совершенно непонятно. Мы только знаем, что каким-то образом эта темная энергия обеспечивает ускоренное расширение Вселенной и в то же время позволяет объяснить плоскую геометрию Вселенной.

Математически темную энергию использовал еще Эйнштейн, когда ввел в свои уравнения лямбда-член, чтобы обеспечить неподвижность Вселенной. И только в 1965 году Глинер понял, что естественным объяснением лямбда-члена является особый тип вакуума. Слово «темная» точно отражает тот факт, что мы не понимаем, откуда взялся этот уровень вакуума. Сама по себе концепция вакуумной энергии не столь уж необычна, но в первую очередь нужно объяснить, почему природа выбрала именно такой уровень темной энергии, заполняющей нашу Вселенную.

Из чего состоит Вселенная? Эмпедокл в V веке до н. э, а позже Аристотель и другие мудрецы Античности считали, что все в мире состоит из четырех «основных элементов», или стихий, — земли, воды, воздуха и огня. Это неплохо соотносится с четырьмя знакомыми нам состояниями вещества — твердым, жидким, газообразным и плазменным. (Если вы думаете, что незнакомы с плазмой — горячим ионизованным газом, — то посмотрите на пламя свечи, или на Солнце, или на огоньки звездного неба. Звезды — это гигантские плазменные шары; большая часть обычного вещества во Вселенной существует в виде плазмы.) Но и современная космология тоже говорит нам о четырех основных элементах, или космических энергиях, как их теперь называют. В современную космическую эпоху темная энергия космического вакуума является доминирующим элементом, содержащим около трех четвертей полной энергии Вселенной. Все тела в природе погружены в эту однородную среду, но ни одна структура не состоит из нее — только сам вакуум.

Три остальные энергии — это темная материя (примерно 20 %), обычное барионное вещество (4 %) и излучение, доля которого сейчас очень мала (0,01 %). В прошлом эти соотношения были другими, и в будущем они тоже изменятся. Например, в первые три минуты космического расширения условия были совершенно иными: тогда вклад вакуума приближался к нулю, а в излучении содержалось почти 100 % энергии.

Такой космический рецепт, меняющийся со временем, может показаться случайным и сложным, представляющим нашу Вселенную странной и даже абсурдной. Но это только на первый взгляд. Фактически за всем этим скрывается некоторая закономерность. Это новый тип симметрии, который, в отличие от знакомой нам геометрической симметрии (однородность и изотропия), не затрагивает пространство и время. Негеометрические симметрии обычно называют внутренними симметриями. Простой пример внутренней симметрии можно найти в физике частиц: симметрия между протоном и нейтроном. Они очень похожи, но имеют разную массу, электрический заряд, время жизни и т. д. Каждая из частиц может одинаково участвовать в сильных взаимодействиях внутри атомного ядра, и эта похожесть объединяет их в группу под названием «ядерный дублет».

Подобным образом космическая внутренняя симметрия объединяет четыре космических энергии в правильную группу — квартет. Каждый из членов группы обладает постоянной физической характеристикой под названием «фридмановский интеграл». Эта величина имеет размерность длины и была введена Фридманом в его моделях мира. У этой длины истинно космологический размер, сравнимый с расстоянием до космического горизонта — около 10 млрд световых лет. Значения всех четырех интегралов близки по порядку величины. Но поскольку совпадение неточное, то и сама симметрия не строгая, она нарушается. Тем не менее эта группа космических длин выглядит простой и естественной. Так как интегралы постоянны во времени, они дают нам «вечный» рецепт смеси космических энергий, который сохраняется всегда, пока существуют эти четыре энергии в природе; по крайней мере, с первых минут космического расширения.

Внутренняя космическая симметрия придает стройность космической энергетике и наводит на мысль, что существуют глубокие связи между фундаментальными элементами природы. В этой симметрии Вселенная обнаруживает новый порядок и красоту, основные качества, приписываемые нашему космосу первыми космологами Античности.

Глава 26 Активные галактики: послание на радиоволне

На протяжении веков глаз человека оставался важнейшим средством наблюдения. В начале XVII века был изобретен телескоп. Постепенно размер крупнейших телескопов увеличивался, а с изобретением фотографии они позволили наблюдать Вселенную еще дальше. В 1930-х годах этот процесс был в полном разгаре, и вряд ли кто-нибудь мог представить, что кроме дальнейшего усовершенствования обычных телескопов может появиться какое-либо иное средство, способное расширить наши представления о мире.

В 1933 году инженер, сотрудник телефонной компании «Белл» Карл Янский изучал трансатлантическую радиотелефонную связь, пытаясь найти источники помех. Он заметил, что радиошумы усиливаются каждый день в один и тот же час. Но через некоторое время он обнаружил, что усиление шума происходит не точно в один и тот же час, а начинается на 4 минуты раньше, чем в предыдущий день. Напомним, что Солнце, по которому мы отсчитываем гражданское, или солнечное, время, в течение года движется среди звезд на восток. Поэтому звезды и галактики каждый день восходят на 4 минуты раньше, чем в предыдущий день. Как раз эти 4 минуты и подсказали, что источник радиошумов должен располагаться вне Земли. Янский понял, что источник шумов находится в Млечном Пути, но продолжить это исследование не мог, так как был занят своей основной работой (рис. 26.1).

Одним из немногих людей, знавших об открытии Янского, был американский инженер и любитель астрономии Гроут Рёбер (рис. 26.2). Во дворе своего дома он соорудил антенну в виде тарелки диаметром 10 метров и начал в свободное время исследовать космический радиошум. Он подтвердил открытие Янского и, кроме того, выявил на небе области наиболее сильного излучения, названные радиоисточниками. Одним из них оказался центр Галактики. Гораздо труднее было отождествить другие источники, которые обычно называли радиозвездами. Спустя годы стало ясно, что радиоисточники не являются звездами; некоторые астрономы поняли это еще в 1940-х годах, когда стало понятно, что радиоизлучение Солнца было бы очень трудно обнаружить, если бы оно находилось на таком же расстоянии, как другие звезды.

Рис. 26.1. Карл Янский (1905–1950) со своей радиоантенной. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Рис. 26.2. Гроут Рёбер (1911–2002) провел первые наблюдения радиоисточников. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Ученые не знали про антенну Рёбера, но для его соседей в Уитоне (шт. Иллинойс) она стала предметом изумления и пересудов. Большинство считало, что это поливальная установка, так как тарелка собирает дождь, который стекает через дырку в ее основании. Объяснения Рёбера, что он слушает радиошумы из космоса, тогда, в 1937 году, казались фантастикой. Когда Рёбер написал статью о своих открытиях в Astrophysicak Journal, один из издателей журнала сам приехал к нему, чтобы собственными глазами увидеть антенну на заднем дворе. Издателей мучили подозрения, что этот неизвестный инженер просто выдумал историю о космических радиоволнах.

Но это не было выдумкой: настало время исследовать небесные радиоволны. Во время Второй мировой войны антенные технологии сделали огромный шаг вперед, и после войны огромное количество антенн осталось без работы. Астрономы воспользовались этой возможностью, и в конце 1940-х годов родилась радиоастрономия. Кроме Янского и Рёбера нужно отметить еще Мартина Райла (19181984) из Кембриджского университета, который стал одним из первых исследователей в этой новой области науки и получил Нобелевскую премию. Астроном Ян Оорт, о котором мы уже говорили в связи с его исследованиями Галактики, также очень рано понял значение радиоволн как нового инструмента для исследования Вселенной.