Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Галактики представляют собой поразительные примеры клочковатости Вселенной: это кляксы, диски и спирали, содержащие от 1000 до 100 триллионов звезд, с диаметрами от 3000 до 300 000 световых лет. Но галактики распределены в пространстве тоже неравномерно. Как правило, они существуют тесно связанными группами примерно по 50 объектов или более многочисленными (до тысячи или около того) в виде скоплений галактик. Скопления, в свою очередь, собираются в сверхскопления, которые образуют невообразимо огромные полотна и волокна с колоссальными пустотами (войдами) между ними.

Мы, к примеру, живем в Галактике, которая входит в Местную группу галактик вместе с Галактикой Андромеды (M31) и еще 52 галактиками, многие из которых являются карликовыми галактиками вроде Магеллановых Облаков и выступают в роли спутников двух доминантных спиралей: Андромеды и нашей Галактики. Примерно десять карликовых галактик не связаны гравитационно с остальными. Еще одна крупная галактика в нашей местной группе — Галактика Треугольника, которая, возможно, тоже является спутником Андромеды. Вся Местная группа целиком имеет размер в поперечнике около 10 млн световых лет. Сама она входит составной частью в сверхскопление Ланиакея, которое удалось идентифицировать в 2014 году при попытке определить сверхскопления математически, путем анализа скоростей галактик друг относительно друга. Сверхскопление Ланиакея насчитывает 520 млн световых лет в поперечнике и содержит 100 000 галактик.

По мере того как астрономы обнаруживают новые, все более крупные скопления и пустоты, космологам приходится раз за разом пересматривать масштаб, на котором, по их мнению, Вселенная должна быть однородной. Нынешняя точка зрения состоит в том, что сгустки и войды по размеру не должны превышать одного миллиарда световых лет, а в большинстве своем должны быть меньше. Поэтому некоторые недавние наблюдения внушают беспокойство. Группа под руководством Андраша Ковача обнаружила войд два миллиарда световых лет в поперечнике, а Роджер Клоувз с сотрудниками нашли когерентную космологическую структуру вдвое большего размера — Громадную группу квазаров, содержащую 73 объекта. Эти образования соответственно в два и в четыре раза больше максимального ожидаемого размера для единообразной структуры. Группа Лайоша Баласа наблюдала кольцо гамма-барстеров диаметром 5,6 миллиарда световых лет, что еще больше.

Эти открытия, и в еще больше степени даваемые им объяснения, являются предметом дискуссии. Некоторые оспаривают сам результат наблюдений. Другие утверждают, что несколько необычно крупных структур не означают еще, что Вселенная неоднородна «в среднем». Это верно, но не особенно убедительно, поскольку эти структуры просто не вписываются в стандартную математическую модель множества, однородного не только в среднем, но и всюду — за исключением отклонений размером менее миллиарда световых лет. Все предыдущие утверждения об однородности на меньших масштабах были разбиты в результате проведения новых, более широких исследований. Похоже, история повторяется.

Кстати говоря, распознавать скопления — задача нетривиальная. Что именно считается скоплением или сверхскоплением? Человеческий глаз от природы умеет видеть уплотнения, но составляющие их объекты необязательно связаны значимыми гравитационными силами. При анализе используется математический метод, известный как фильтр Винера — хитроумный тип аппроксимации по методу наименьших квадратов, способный отделить сигнал от шума. В данном случае он модифицирован для разделения скоростей галактик на составляющие, одна из которых обусловлена расширением Вселенной и находится одинаково для всех галактик, а вторая отражает их индивидуальное «собственное движение» относительно этого расширения. Галактики одной и той же общей области, имеющие сходное собственное движение, принадлежат к одному сверхскоплению. Космос подобен жидкости, в которой звезды играют роль атомов, галактики — вихрей, а сверхскопления — более крупномасштабных структур. При помощи фильтра Винера можно выявить картину течения этой жидкости.

Космологи смоделировали, как вещество во Вселенной образует сгустки под действием гравитации. Судя по всему, общая картина тонких волокон и стенок вещества, разделенных гигантскими войдами, представляет естественную структуру большой системы тел, взаимодействующих посредством гравитации. Гораздо труднее сделать так, чтобы статистические данные о волокнах и стенках соответствовали наблюдениям, или получить реалистичное распределение вещества в пределах традиционной временной шкалы в 13,8 миллиарда лет.

Обычный способ обойти эту проблему — постулировать существование таинственных частиц, получивших название скрытой массы или темной материи. По существу, такое допущение усиливает действие гравитации, так что крупные структуры могут развиваться быстрее, но оно не полностью удовлетворяет ученых (см. главу 18). Альтернативой, на которую обычно не обращают внимания, является возможность того, что наша Вселенная намного старше, чем мы привыкли думать. Третий вариант — то, что мы просто не нашли пока верной модели.

* * *

Следующий вопрос — размер Вселенной.

По мере того как астрономы зондировали Вселенную при помощи все более мощных телескопов, они не просто получали возможность видеть дальше; они фактически смотрели назад во времени. Поскольку свет имеет конечную скорость, на путешествие из одного места в другое ему требуется определенное время. Как известно, световой год определяется как расстояние, которое свет проходит за год.

Свет движется очень быстро, поэтому световой год — очень большое расстояние: 9,46 триллиона километров. До ближайшей звезды от нас 4,24 световых года, так что когда кто-нибудь рассматривает эту звезду в телескоп, он видит, как она выглядела четыре с четвертью года назад. В принципе вчера она могла взорваться (это вряд ли, имейте в виду: она находится не на той стадии развития), но если бы она это сделала, мы не узнали бы об этом еще четыре с четвертью года^[77].

В настоящее время радиус наблюдаемой Вселенной считается близким к 45,7 миллиарда световых лет. Зная это, мы могли бы наивно вообразить, что имеем возможность заглянуть на 45,7 миллиарда лет в прошлое. Однако это не так — по двум причинам. Во-первых, когда мы говорим о «наблюдаемой Вселенной», то имеем в виду то, что можно было бы увидеть в принципе, а не то, что мы видим на практике. Во-вторых, в настоящее время считается, что возраст Вселенной составляет всего 13,8 млрд лет. Недостающие 31,9 миллиарда лет относят на счет расширения Вселенной, но к этому я еще вернусь в следующей главе.