Карта Вселенной - Приямвада Натараджан

Эддингтон был блестящим ученым, но (как мы могли уже видеть на примере истории с отказом признавать существование черных дыр) имел склонность относиться к своим научным идеям и убеждениям с большой пристрастностью. Поэтому, когда все мировое астрономическое сообщество (включая Эйнштейна) окончательно смирилось с мыслью о том, что теория расширяющейся Вселенной не нуждается ни в какой константе лямбда, Эддингтон долго отказывался признать этот факт. В статье 1932 г., написанной совместно с де Ситтером, Эйнштейн сам вычеркнул из уравнений лямбду-член. При этом, впрочем, он оставил себе шанс на пересмотр этого решения в будущем, вписав в текст фразу о том, что «…возрастающая точность астрономических наблюдений может позволить нам в будущем определить знак и величину этого члена»^{8}. Но при этом (несмотря на достигнутый консенсус и отказ от учета лямбды) для описания «новой», обнаруженной Хабблом расширяющейся Вселенной необходимо было ответить на целый ряд важных вопросов, относящихся к проблеме гравитации. Однако вопросы оставались даже при консенсусе о мире без лямбды-члена. Открытие Хаббла продемонстрировало, что расширение Вселенной преодолевает влияние гравитации. Но всегда ли гравитация имела современный вид? Сохранятся ли эти особенности в будущем? Как они выглядели в далеком прошлом?

Для ответа на эти вопросы нам необходимо подробнее всмотреться в уравнения эйнштейновской теории поля. Прозрение Эйнштейна, лежащее в основе ОТО, состоит в том, что форма пространства, содержимое Вселенной и судьба космоса взаимосвязаны. Уравнения Эйнштейна точно описывают связи между членами этой триады, которые определяют все остальные параметры Вселенной, включая ее возраст. В 1990-х гг. астрономы приступили к общему исследованию содержимого Вселенной, и тогда обнаружилось, что это содержимое не согласуется с ее формой и возрастом, что поставило их в тупик. ОТО уже имела твердые обоснования, и многие ее предсказания подтверждались наблюдениями, так что несовместимость элементов упомянутой выше триады свидетельствовала о чем-то очень важном, возможно о пропущенном факторе или обстоятельстве, имеющем принципиальное значение. Геометрия и эволюция Вселенной загадочным образом противоречили ее содержанию. Начиная с открытий Веры Рубин и Кента Форда астрономические наблюдения ясно показывали, что основным материалом или веществом, из которого состоит Вселенная, является экзотическая темная материя. Однако этого было недостаточно, чтобы объяснить особенности общей формы наблюдаемой Вселенной, из чего следовало, что она намного моложе, чем предполагалось ранее. Оказывалось, что старые звезды в нашей Галактике старше Вселенной — и это, очевидно, было проблемой.

Говоря о форме Вселенной, я подразумеваю не локальные небольшие «выбоины» на плотной ткани пространства-времени, а общую форму на очень больших масштабах, где геометрия может проявить себя более или менее однородно. Несмотря на растущий объем данных, в том числе в связи с запуском спутника «Исследователь космического фона» (Cosmic Background Explorer, COBE) для изучения реликтового излучения, разрыв между разными измерениями формы, возраста, состава и эволюционными свойствами Вселенной сохранялся. Это растущее противоречие заставляло исследователей постоянно повышать точность наблюдений.

Нам уже известно, что определение лямбды не может устранить указанную выше проблему несовместимости данных, поскольку не предполагает стабильное и устойчивое развитие Вселенной (напомним, что ее состояние напоминает позицию стоящего на цыпочках, готового упасть при малейшем толчке). Однако если мы отвлечемся от проблемы космологической постоянной и займемся только решениями Леметра для расширяющейся Вселенной, то поймем, что вид решения будет определяться борьбой между расширением и силой гравитации, зависящей от средней плотности Вселенной. Таким образом, наблюдаемая плотность всех компонентов Вселенной может сравниваться с критическим значением — переломным моментом, который разделяет возможные пути судьбы Вселенной.

Отношение плотности всего вещества и энергии во Вселенной к критическому значению плотности представляет собой просто число (обозначаемое заглавной греческой буквой Ω). Полное значение омеги для Вселенной является суммой отношений обычной материи, темной материи, энергии реликтового излучения, сохранившегося еще от Большого взрыва, и космологической постоянной^[19] к рассмотренной выше критической плотности. Вклад в эту сумму от реликтового излучения сейчас является пренебрежимо малым. Омега складывается из отношений для материи и вклада от лямбды-члена. Три возможных решения уравнений Эйнштейна, которые единственным и однозначным образом определяют геометрию, состав и судьбу Вселенной, соответствуют трем различным значениям омеги, которые рассмотрены ниже.

Прежде всего обсудим простую ситуацию, когда омега существенно меньше 1, то есть материи во Вселенной достаточно для того, чтобы ее можно было даже не замечать, так что проблема устойчивости вообще не возникает. В этом случае Вселенная будет расширяться вечно и с постоянной скоростью, не ускоряясь и не замедляясь. Этот сценарий начинается с Большого взрыва, и закон Хаббла в этом случае справедлив всегда и везде по всей Вселенной.

В следующей ситуации содержимое Вселенной характеризуется существенной долей массы, например когда омега заметно меньше 1, но все же больше значения для расширяющейся с постоянной скоростью Вселенной, вследствие чего Вселенная должна расширяться непрерывно, как и в предыдущем случае. Такая Вселенная будет постепенно становиться все менее плотной (разреженной), и скорость ее расширения, соответственно, будет замедляться.

Теоретически возможны оба описанных сценария, поэтому представляется очевидным, что необходимо осуществить прямое измерение значения омеги и по результату определить, какое из решений соответствует нашей Вселенной. Для прямого измерения омеги необходимо найти и сложить массы всех галактик по всем наблюдаемым участкам звездного неба (сектор за сектором), разделить полученную сумму масс на занимаемые этими галактиками объемы, а затем вставить полученный результат в отношение для критической плотности. Когда астрономы в 1980–1990-х гг. провели описанный выше учет по всем существующим каталогам галактик, то они обнаружили, что плотность материи во Вселенной составляет примерно 0,3.

Однако стоит вспомнить, что существует еще один подход к независимому измерению значения общей величины омеги. Дело в том, что реликтовое излучение, оставшееся со времени Большого взрыва, дошло до нас в виде ряби, в которой отразилось воздействие всего содержимого Вселенной с момента Большого взрыва. Оно дошло до нас, пробив всю Вселенную, несет отпечаток всего содержимого Вселенной и, таким образом, позволяет оценить сумму этих компонентов. Измерения флуктуаций зарегистрированного спутником COBE реликтового излучения были проведены в 1990 г. и привели к равному 1 значению омеги. Это сразу заставило астрономов задуматься о том, куда девался остаток 0,7. Упомянутое выше значение 0,3 было получено с учетом всей материи во Вселенной (видимой и темной) в предположении, что Вселенная постоянно расширяется с незначительным замедлением^{9}. Астрономы уже начали искать признаки такого замедления.