Реликтовое излучение является самым прекрасным, что мы можем увидеть в окружающем нас мире. Эта фраза вызывает неоднозначное понимание и содержит в себе вызов нашим представлениям. Я имею в виду, что есть коды вокруг нас, которые понятны всем, и реликтовое излучение, о котором мало кто знает среди простых жителей Земли, тем не менее понятно всем.

Представьте, что вы хотите рассказать о чем-то прекрасном аборигену Австралии или Бразилии и приносите ему картину Тициана. Он не понимает, что здесь прекрасного. Это не значит, что он этого не может понять, у него в принципе другие ценности. Он может показать вам свое что-то прекрасное, а вы это не поймете, потому что система распознавания образов у него другая.

Рекомендуем по этой теме:
1429
5 книг о реликтовом излучении

Система распознавания образов — это система, к которой человек приучается с самого детства, когда мозг наиболее пластичен. И если вы говорите, что музыка Led Zeppelin — это красиво, это можно не понять, как и музыку Чайковского или Арво Пярта. Однако есть коды, которые понятны всему человечеству.

Один из таких кодов — звездное небо. Мы смотрим на него, и оно действительно прекрасное, все люди видели звездное небо, и все согласны с этим утверждением. Как говорил мой профессор, каждый человек хоть один раз, хоть один день, одно мгновение был астрономом: он поднял голову к небу и увидел, что это такое.

Представим себе, что есть цивилизация совсем других организмов, например осьминогов. Они не видят звездного неба, и, когда вы им будете показывать, они не поймут. Они не смогут слушать музыку: у них нет ушей, нет частотомеров, которые могут мелодию преобразовать в какое-то осмысленное представление, как это делаем мы по отношению к музыке.

Эта цивилизация осьминогов делает свое оборудование. Начинают исследовать мир, они знают по приливам и отливам, что есть системы, которые влияют на форму планеты, могут влиять на движение. Они могут понять, как организован мир по вторичным проявлениям, значит, они делают технологии. Технологии приводят к развитию оборудования, и хочется посмотреть, что дальше. Ты понимаешь, что электромагнитный спектр существует не только в той области, в которой ты его можешь регистрировать. Но оборудование все равно этот спектр будет видеть. И вот на небе есть нечто, что для всех цивилизаций нашей Вселенной в среднем будет выглядеть одинаково. Это нечто — карта реликтового излучения.

Если цивилизация добирается до состояния, когда она может измерить карту реликтового излучения, неоднородностей 10-5 отклонения от среднего, значит, она может прочитать код Вселенной. Это способ, которым мы можем объясняться с другими цивилизациями и передавать этот сигнал. Очень важно, что мы можем вытащить различные свойства Вселенной, исходя из этой карты.

Что есть на карте реликтового излучения и как мы ее читаем? В зависимости от размера сигнала мы строим функцию, которая называется угловой спектр мощности. На этой функции расположены пики, каждый соответствует росту определенных масштабов в определенный момент Вселенной. Когда Вселенная расширяется, из вакуума появляются неоднородности. То, что из вакуума появляются неоднородности, неудивительно: в нашей Вселенной так везде. Другое дело, что эти неоднородности усиливаются, если мы расширяем Вселенную очень быстро, быстрее даже, чем скорость света, как это предсказывает инфляционное расширение Вселенной в самую раннюю эпоху.

Неоднородности увеличиваются: какие-то из них выживают, а какие-то нет. Выживают те, которые целое число раз в данную эпоху помещаются по размерам во Вселенной. Они начинают взаимодействовать с фотонами реликтового излучения, и это отражается в пятнах. Мы решаем обратную задачу, смотрим, какие неоднородности как росли, и потом восстанавливаем скорость расширения Вселенной, различные ее плотности.

Через некоторое время мы можем восстановить, когда появились первые звезды, потому что Вселенная в момент рекомбинации стала нейтральной. Тогда ее возраст был 380 тысяч лет. Потом она опять стала ионизованной. Мы должны посмотреть электрическую моду поляризации: ультрафиолетовый свет первых звезд изменил свойства реликтового излучения, и по уровню этого изменения мы можем решить обратную задачу и сказать, когда были первые звезды. Получается, в самой карте реликтового излучения, в ее поляризационных свойствах записано то, когда образовались первые звезды.

Мы узнали, что самые первые звезды начали образовываться примерно 200 миллионов лет после Большого взрыва, а спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва был пик их образования. Звезды были большие, жили мало, взрывались, когда они жили, они ионизовали нейтральный водород, ионы которого — протоны — поляризовали реликтовое излучение. Из данных реликтового излучения мы узнали, когда они были. Кроме того, звезды сделали плазму и черные дыры средних масс, больше 20–50 масс Солнца, из которых потом можно было бы сделать сверхмассивные черные дыры при плотностях вещества, которые были в самые ранние эпохи.

Мы можем это все просчитывать, решая соответствующие задачи: звезды были такие-то, могли ионизовать, значит, столько-то светили, у них была определенная температура, поэтому жили мало. Такие связанные параметры неабсолютны, но мы точно знаем, когда образовались первые звезды, плюс-минус 100 миллионов лет. Мы знаем, что это было, потому что таково свойство реликтового излучения.

Из того, что реликтовое излучение равномерно распределено и имеет гауссово распределение в виде колокольчика по амплитудам, мы можем сказать, что, скорее всего, инфляция была. Это одно из предсказаний. В пользу этого работает то, что Вселенная плоская на больших масштабах, не искривлена. Неоднородность в реликтовом излучении соответствует неоднородностям в распределении масс скоплений галактик.

Что еще мы можем узнать из карты реликтового излучения? Сама карта, покрывающая все небо, — это полная информация. Представим себе, что наша Вселенная многосвязная: в ней есть гигантские пустые области, не кротовые норы, а просто отсутствие пространства. Например, Вселенная имеет форму тора. Мы сразу представляем себе бублик, но бублик — трехмерное тело, покрытое двухмерной поверхностью, а Вселенная — трехмерная поверхность. Это сложнее представить, но действительно можно сделать.

В такой торообразной трехмерной поверхности мы можем представить, как должны путешествовать фотоны: если фотон в ней путешествует, то он должен через некоторое время вернуться назад. То есть мы думаем, что Вселенная большая, а там больших масштабов нет, они меньше, и тогда мы должны видеть свои спины. И действительно, двадцать лет на оптических телескопах рассчитывались возможные наблюдательные проявления, делались попытки обнаружения таких объектов, что мы видим подобные друг другу структуры. Но ничего не было обнаружено.

Разговоры начались после того, когда стали рассматривать угловой спектр мощности, зависимость энергии от частоты, и оказалось, что самая низкая космологическая гармоника — это гармоника номер два, квадруполь (четыре пятна) имеет низкую амплитуду. Это значит, что амплитуда на пределе допустимой по отношению к стандарту, и это одна из аномалий. Если она низкая, то получается, что таких масштабов во Вселенной нет, поэтому оттуда ничего и не приходит. Раз нет таких масштабов, то это как раз форма тора, которую мы и ожидали бы увидеть в топологии Вселенной. Начались соответствующие исследования этой темы, были сделаны модели, как вообще должна выглядеть Вселенная в форме тора, как мы можем найти в разных направлениях эти свойства.

Существовали гипотезы, что наша Вселенная имеет форму трехмерного додекаэдра или даже икосаэдра, и все эти направления точно так же исследовались. Когда полетела миссия «Планк», были сделаны соответствующие модели поведения фотонов, искали общие свойства между тем, что мы видим, и теми моделями, которые были сделаны. И вот разочарование: наша Вселенная достаточно простой объект по распределению реликтового излучения, в ней нет особенностей. Это Вселенная в виде трехмерной сферы.

На карте мы можем увидеть особый тип объектов, который называется «топологические дефекты». Это «смешная» вещь, потому что мы можем пытаться с помощью реликтового излучения установить, бывают ли чудеса в природе. Топологические дефекты — это особые решения в уравнении Эйнштейна: мы берем бумагу, разрезаем ее бритвой, и у нас оказывается одномерная струна. Вселенная не любит таких вещей, она их срочно уничтожает, испаряет. Инфляционная эпоха раздувает возможные космологические струны до очень больших размеров. Они могут двигаться, изменяют форму реликтового излучения, изменяют распределение видимого света. Программы по их поиску велись порядка 15 лет, и ничего найдено не было. По данным реликтового излучения с очень высокой точностью, примерно на 10-7 уровня неоднородности, говорится, что их нет. А еще эти струны по краям должны гореть, как гамма-источники, и испаряться, уменьшаться.

Мы могли бы увидеть доменные стенки. Представим, что у нас Вселенная не одна, а их несколько, законы природы здесь одни, а вот здесь другие. Что происходит на границе? Фотоны меняют скорость своего движения, где-то накапливаются, и мы эту доменную стенку можем видеть как неоднородность в распределении фона, но мы их не видим. Мы накладываем верхнюю границу примерно на 10-7, мы не видим других Вселенных, не видим областей с другими свойствами. Мы не видим нарушения законов природы в нашей Вселенной на уровне реликтового излучения. Если у нас чудеса есть, они все должны быть в рамках того, что позволяет наша Вселенная, однако мы не видим особых трехмерных дефектов, вырываний пространства. Все проверки говорят, что Вселенная однородна, изотропна на больших масштабах, напоминает трехмерную сферу.

Из данных реликтового излучения мы также можем узнать шесть основных параметров, которые получаем из углового спектра мощности, — это кривая. В этой кривой мы знаем приблизительно 2500 точек, очень точно измеренных. Для шести параметров у нас есть 2500 точек, и мы можем составить 2500 уравнений, и у нас есть запас в неизвестных. Таким образом, мы можем накладывать границы или измерять другие параметры.

Мы можем замерить нейтрино. Нейтрино сопротивляются скучиванию, частицы летят почти со скоростью света, в них сосредоточена масса. Раз это масса, это может оказывать влияние на формирование скоплений, это способ вынести массу. Мы можем записать уравнение, как растут скопления галактик, и решать обратную задачу: какая масса нейтрино по различным эффектам на реликтовом излучении, такая масса нейтрино была установлена. Верхняя граница суммы масс трех типов нейтрино приблизительно 0,13, по последним данным «Планка». Число типов нейтрино, которые участвуют в слабых взаимодействиях, равно трем. Мы можем установить соотношение между водородом и гелием, исходя из данных реликтового излучения, из измерений: 75% водорода, 25% гелия с точностью до долей процентов.

Мы можем наложить границы на темную энергию, если темная энергия — это энергия, сила, а не свойство вакуума. Мы не можем докопаться до физического понимания того, что это за процесс, или объект, или сила, но можем сказать, в рамках каких границ мы имеем право ее менять, и освободить параметр, связанный с темной энергией. Это было сделано, и на настоящий момент, если мы описываем некую среду, пишем уравнение состояния для темной энергии, ее величина -1,02±0,03. Этот параметр называется параметр квинтэссенции при уравнении состояния. Если этот параметр меньше минус единицы, то темная энергия описывается как фантомная энергия, то есть та, которая усиливается с каждым моментом и через некоторое время должна привести к очень интересным, но разрушительным для нашей Вселенной последствиям. Она будет сильнее, чем сила гравитации, чем связь кварков внутри протонов и нейтронов.

Рекомендуем по этой теме:
18977
Краткая история Вселенной

Но точность, которую мы знаем, невысокая. Если она равна единице, то Вселенная будет расширяться все время без разрушительных последствий, и это будет свойства вакуума. Это лямбда член в уравнении Эйнштейна. Пока мы не можем сказать точнее. Данные реликтового излучения не позволяют это сейчас сделать. Может быть, когда мы измерим поляризацию вкупе с данными о скоплениях галактик, мы сможем предсказать наше будущее. В любом случае хорошо, что мы можем с этим разобраться, можем это понять, а когда-нибудь и использовать для нашего выживания.