Космическая инфляция То, что произошло дальше, все еще остается предметом дискуссий, однако большинство космологов согласны в том, что примерно в этот момент Вселенная пережила процесс, который мы называем космической инфляцией. По каким-то причинам, нам не до конца понятным, расширение Вселенной внезапно ускорилось, и та область, которой предстояло стать нашей наблюдаемой Вселенной, увеличилась в размерах более чем в 100 триллионов триллионов (т. е. 1026) раз. Разумеется, при этом она достигла всего лишь размера пляжного мяча, однако, учитывая, что начальная точка была неизмеримо меньше любой известной нам частицы, а процесс расширения занял примерно 10-34 секунды, это не может не произвести впечатление. Теория инфляции позволила решить несколько по-настоящему сложных проблем, свойственных стандартной модели Большого взрыва. Одна из них была связана со странной однородностью космического микроволнового фонового излучения, а другая – с крошечными отклонениями в нем. Проблема однородности заключается в том, что стандартная космологическая модель Большого взрыва никак не объясняет тот факт, что вся наблюдаемая Вселенная, включая области, находящиеся на противоположных сторонах неба, имела одну и ту же температуру на ранних стадиях развития. Изучая отголоски Большого взрыва, мы видим, что она была одинаковой везде, что, если подумать, кажется весьма странным совпадением. Как правило, два объекта могут иметь одинаковую температуру в том случае, если они находятся в состоянии, которое мы называем термодинамическим равновесием. Это означает, что у таких объектов есть возможность обмениваться теплом, а также время для этого. Если вы оставите чашку кофе в комнате на достаточно долгое время, кофе и воздух будут взаимодействовать друг с другом, и в итоге вы получите чашку с кофе комнатной температуры и комнату с немного более теплым воздухом. Проблема стандартной картины ранней Вселенной состоит в том, что она не предусматривает ситуацию, в которой две отдаленные области могли бы взаимодействовать друг с другом и достичь теплового равновесия. Если мы возьмем две точки на противоположных сторонах небосвода и выясним расстояние между ними сейчас и расстояние, которое разделяло их в самом начале, 13,8 миллиарда лет назад, мы обнаружим, что в истории Вселенной не было момента, когда они находились достаточно близко для того, чтобы лучи света могли перемещаться между ними, уравновешивая их температуру. Луч света, покинувший одну из этих точек в момент возникновения Вселенной, даже за 13,8 миллиарда лет не успел бы преодолеть расстояние до другой точки. Они всегда находились вне горизонтов друг друга и не имели возможности как-то взаимодействовать[23]. Таким образом, либо мы имеем дело с самым масштабным совпадением во Вселенной, либо на ранней стадии ее развития произошло некое событие, которое обеспечило это равновесие. Проблему отклонений сформулировать чуть проще. Она сводится к вопросу о том, откуда взялись крошечные флуктуации плотности в космическом микроволновом фоновом излучении, и чем объясняется их распределение. Теория космической инфляции решает обе эти проблемы, наряду с несколькими другими. Основная идея состоит в том, что в ранней Вселенной был период времени после сингулярности, но до окончания стадии огненного шара, когда она расширялась невероятно быстро. Эта теория допускает существование периода на ранней стадии развития Вселенной, когда очень маленькая область могла достичь теплового равновесия и увеличиться до размера наблюдаемой нами Вселенной в результате быстрого расширения. Представьте, что будет, если взять сложную абстрактную картину и растянуть ее так, чтобы весь вид закрывало пятно одного цвета. По сути, при расширении Вселенной одна из ее областей, которая изначально была достаточно мала, чтобы успеть достичь теплового равновесия, увеличилась и превратилась в то, что мы называем наблюдаемой Вселенной. С помощью теории инфляции и квантовой физики также можно объяснить флуктуации плотности. Существенное различие между физикой субатомного мира и физикой макромира состоит в том, что каждому взаимодействию отдельных частиц присуща неустранимая неопределенность. Возможно, вы уже слышали о принципе неопределенности Гейзенберга, который говорит о существовании предела точности любого измерения, обусловленного присущей квантовой механике неопределенностью, так или иначе искажающей результат. Если вы очень точно измерите положение частицы, вы не сможете определить ее скорость, и наоборот. Даже если вы оставите частицу в покое, она все равно будет подвержена случайным блужданиям, и при каждом ее измерении вы будете получать несколько иной результат. Как это связано с реликтовым излучением? Согласно гипотезе, инфляция была вызвана неким энергетическим полем, подверженным квантовым флуктуациям, или случайным колебаниям. Эти колебания в микроскопическом масштабе представляют собой лишь кратковременные вспышки, но они изменяют плотность в том микромасштабе, в котором происходят, а вследствие расширения превращаются в достаточно существенные неравномерности в распределении плотности первичного газа. Существование небольших пятен в космическом микроволновом фоновом излучении объяснимо, если принять тот факт, что они являются результатом естественной многотысячелетней эволюции флуктуаций, возникших в первые 10-34 секунды существования космоса. Из этих самых пятнышек в итоге сформировались все наблюдаемые сегодня галактики и их скопления. Тот факт, что распределение самых больших структур во Вселенной может быть точно сопоставлено с колебаниями квантового поля, не перестает меня поражать. Связь космологии с физикой элементарных частиц нигде не проявляется так ярко, как при исследовании космического микроволнового фонового излучения. Однако мы забегаем вперед. До образования реликтового излучения пройдет еще множество эонов. Мы преодолели лишь 10-34 секунды, и нам еще о многом нужно поговорить. К моменту окончания стадии инфляции молодая Вселенная стала намного более холодной и пустой по сравнению с моментом своего зарождения. Процесс, называемый «вторичным нагревом», привел к повсеместному повышению температуры, чем вызвал дальнейшее постепенное расширение и охлаждение. Эпоха кварков Если до инфляции космос, скорее всего, можно было бы описать Теорией великого объединения, то после ее окончания он начал приближаться к состоянию, отвечающему современным законам физики. Впрочем, до этого еще далеко. На данной стадии сильное ядерное взаимодействие уже покинуло вечеринку ТВО, а электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие по-прежнему оставались объединенными в некое «электрослабое» взаимодействие. Однако в первичном бульоне[24] уже начали формироваться частицы, а именно, кварки и глюоны. В наши дни кварки чаще всего встречаются в виде компонентов протонов и нейтронов (которые вместе называются адронами). Глюоны представляют собой своеобразный «клей», который связывает кварки посредством сильного ядерного взаимодействия. Глюоны настолько хорошо справляются со своей задачей, что, несмотря на распространенность систем, включающих два, три, а иногда четыре и пять кварков, обнаружить отдельный кварк до сих пор никому не удавалось. Оказывается, если у вас есть два кварка, связанных вместе в экзотической частице, называемой мезоном, вам придется потратить на их разделение столько энергии, что, прежде чем вы сможете добиться своего, энергия, которую вы затратили, спонтанно породит еще два кварка. Поздравляю! Теперь у вас два мезона. Однако в ранней Вселенной действовали иные правила. Мало того, что силы природы подчинялись другим законам, саму Вселенную заполняла другая смесь частиц, а температуры были настолько высокими, что кварки не могли существовать в стабильном связанном состоянии. Кварки и глюоны свободно отскакивали друг от друга в кипящей смеси, называемой кварк-глюонной плазмой, которая представляет собой своего рода ядерный аналог пламени. Эпоха кварков продолжалась до тех пор, пока Вселенная не достигла зрелого возраста в одну микросекунду. Незадолго до этого (вероятно, около отметки в 0,1 наносекунды) электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие. Примерно в это же время произошло нечто, позволившее отделить материю от антиматерии (ее злобного близнеца), в результате чего большая часть содержащейся во Вселенной антиматерии аннигилировала[25]. Как и почему такое произошло, до сих пор остается загадкой, однако нам следует этому радоваться, поскольку в противном случае мы рисковали бы столкнуться с античастицами и исчезнуть во вспышке гамма-лучей. Об эпохе кварков и о кварк-глюонной плазме мы знаем гораздо больше, чем об эпохе Великого объединения. Соответствующая теория довольно хорошо разработана и не так сильно отклоняется от стандартной физики элементарных частиц, как ТВО, а эксперименты подтверждают прогнозы, основанные на теории электрослабых взаимодействий. Однако настоящий прорыв состоит в том, что мы способны воссоздать кварк-глюонную плазму в лаборатории. Такие ускорители частиц, как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC, The Relativistic Heavy Ion Collider) и Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC, Large Hadron Collider), сталкивая между собой ядра золота или свинца на чрезвычайно высоких скоростях, способны создавать крошечные огненные шары, настолько горячие и плотные, что они сдавливают все частицы и на мгновение заполняют коллайдер кварк-глюонной плазмой. Наблюдая, как после столкновений обломки «замерзают», превращаясь в обычные адроны, ученые могут изучить свойства этой экзотической материи, а также действие законов физики в таких экстремальных условиях. Если исследование реликтового излучения позволяет нам увидеть Большой взрыв, то ускорители частиц дают нам попробовать на вкус первичный бульон[26]. Первичный нуклеосинтез После окончания фазы кварк-глюонной плазмы температура Вселенной понизилась достаточно для того, чтобы в ней начали образовываться некоторые из знакомых нам частиц. Спустя примерно одну десятую долю миллисекунды после возникновения Вселенной в ней сформировались первые строительные блоки обычной материи – протоны и нейтроны, за которыми вскоре последовали электроны. Где-то около двухминутной отметки Вселенная охладилась до комфортной температуры в миллиард градусов Цельсия, что гораздо горячее, чем центр Солнца, но достаточно прохладно для того, чтобы сильное ядерное взаимодействие могло объединить друг с другом только что возникшие протоны и нейтроны. Из них образовалось первое атомное ядро – форма водорода, называемая дейтерием (один протон, связанный с одним нейтроном; технически один протон также может считаться ядром, поскольку он является центром атома водорода). Вскоре такие ядра уже формировались повсюду. Некоторые протоны и нейтроны начали объединяться, образуя ядра гелия, трития, а также лития и бериллия. Этот процесс, называемый первичным нуклеосинтезом, продолжался около получаса до тех пор, пока Вселенная не остыла и не расширилась настолько, что частицы могли удаляться друг от друга на достаточное расстояние и уже не сливаться. Одним из лучших подтверждений теории Большого взрыва является факт обнаружения тесной связи между нашими наблюдениями за космосом и расчетным количеством элементов, которое мы ожидаем, основываясь на оценках температуры и плотности первичного огненного шара. Это соответствие не совершенное – существует некоторая путаница, связанная с количеством лития, которая может свидетельствовать о какой-то неизвестной пока странности, свойственной ранней Вселенной. Что же касается водорода, дейтерия и гелия, фактическое их количество прекрасно согласуется с тем, которое мы ожидали бы обнаружить, если бы на ранних этапах своего развития весь космос представлял собой одну большую ядерную топку. Кроме того, факт, что почти весь водород во Вселенной образовался в первые несколько минут после ее возникновения, говорит о том, что большая часть составляющего наш организм вещества в той или иной форме существовала во Вселенной практически на протяжении всей ее истории. Возможно, вы уже слышали, что «мы состоим из звездной пыли» (или «звездного вещества», как выразился Карл Саган), и это абсолютно верно, если судить по массе. Все наиболее тяжелые элементы в нашем теле – кислород, углерод, азот, кальций и т. д. – сформировались позднее, либо в недрах звезд, либо в результате их взрывов. Что касается количества, то самым распространенным элементом в нашем организме является водород (наиболее легкий элемент). Таким образом, мы действительно отчасти состоим из пыли древних поколений звезд. Однако мы также в значительной степени состоим из побочных продуктов Большого взрыва. Так что утверждение Карла Сагана остается в силе: «Мы – способ, которым Космос познает себя». Поверхность последнего рассеяния После окончания стадии первичного нуклеосинтеза содержимое Вселенной начало понемногу успокаиваться. К этому моменту смесь частиц была уже более или менее стабильной и оставалась таковой вплоть до появления первых звезд миллионы лет спустя. Однако на протяжении многих сотен тысяч лет космос все еще представлял собой горячую, гудящую плазму, состоящую в основном из ядер водорода и гелия и свободных электронов, между которыми сновали фотоны (частицы света). С течением времени Вселенная расширялась, и излучение и материя распространялись. Иногда я представляю эту фазу ранней Вселенной в виде путешествия из центра Солнца наружу, только вместо движения в пространстве в данном случае происходит движение во времени. Оно начинается из центра Солнца, где температура и плотность настолько высоки, что атомные ядра сливаются друг с другом, образуя новые элементы. Внутренняя часть Солнца заполнена светом. Фотоны непрерывно отскакивают от электронов и протонов с такой силой, что им могут потребоваться сотни тысяч лет для того, чтобы достичь поверхности. По мере приближения к ней плазма становится все менее плотной, благодаря чему свет может перемещаться на большие расстояния, не сталкиваясь с препятствиями. После достижения поверхности он может свободно распространяться в космосе. Аналогичным образом, в результате путешествия во времени, длившегося примерно 380 000 лет, начиная с первых минут существования Вселенной, весь космос превратился из горячей плотной плазмы в охлаждающийся газ из протонов и электронов, способных объединиться в нейтральные атомы, позволяя свету свободно распространяться между ними вместо того, чтобы постоянно отскакивать от заряженных частиц. Мы называем конец этой стадии огненного шара ранней Вселенной «поверхностью последнего рассеяния», поскольку речь идет о своего рода поверхности во времени, когда свет высвобождается из плазменной ловушки и получает возможность беспрепятственно путешествовать сквозь космос. Именно это мы видим, когда наблюдаем космическое микроволновое фоновое излучение: момент, определяющий окончание Горячего Большого взрыва и переход ко Вселенной, в которой свет распространяется в темном и безмолвном пространстве. Этот момент также можно считать началом космического периода Темных веков, – промежутка времени, в течение которого газ медленно охлаждался и конденсировался в сгустки под воздействием первичных колебаний плотности. Примерно у отметки в 100 миллионов лет один из этих сгустков становится настолько плотным, что на его месте вспыхивает звезда, знаменующая начало эпохи, получившей название «Космический рассвет». Космический рассвет Превращение темной, наполненной газом Вселенной в космос, залитый светом звезд и галактик, в основном было обусловлено некой экзотической материей, которую нам пока не удалось воссоздать в самых мощных ускорителях частиц. Наряду с излучением, газообразным водородом и другими первичными элементами в ранней Вселенной существовало вещество, которое мы называем темной материей. Хотя на самом деле она не темная, а невидимая, – кажется, что она совершенно не желает каким-либо образом взаимодействовать со светом. Она ничего не излучает, не поглощает и не отражает. Насколько мы можем судить, луч света просто проходит сгусток темной материи насквозь. Однако темная материя способна оказывать гравитационное воздействие. Когда обычная материя пытается сконденсироваться в сгусток под действием собственной гравитации, она испытывает давление, направленное в обратную сторону. Однако темная материя способна конденсироваться, не ощущая воздействия этой силы. Побочным эффектом отсутствия взаимодействия со светом оказалось то, что эта материя вообще ни с чем не взаимодействует, поскольку в большинстве случаев столкновения между частицами материи происходят вследствие электростатического отталкивания, условием которого является взаимодействие со светом. (Фотоны представляют собой частицы света, однако они также переносят электромагнитное взаимодействие, поэтому нечто невидимое не испытывает электромагнитного притяжения или отталкивания). Нет электромагнетизма – нет давления. Первые небольшие сгустки вещества, сформировавшиеся в результате колебания плотности в конце фазы инфляции, состояли из радиации, темной и обычной материи. Поскольку обычное вещество испытывало на себе воздействие давления и смешивалось с излучением, поначалу только темная материя могла слипаться под влиянием гравитации. Позднее, когда Вселенная расширилась еще больше, позволив радиации распространиться, а материи остыть, газ смог попасть в эти гравитационные колодцы и сконденсироваться в звезды и галактики. Даже сегодня структура материи в самых больших масштабах, то есть космическая сеть галактик и их скоплений, поддерживается паутиной из сгустков и нитей темной материи. В эпоху космического рассвета эти невидимые сгустки и нити начали светиться по мере того, как звезды и галактики зажигались в темноте, словно сказочные огоньки. Эпоха галактик Следующий переходный момент в развитии Вселенной наступил тогда, когда в космосе появилось столько звездного света, что он ионизировал окружающий газ, который к окончанию стадии огненного шара стал нейтральным. Интенсивный звездный свет снова разделил атомы водорода на свободные электроны и протоны, породив гигантские пузыри ионизованного газообразного водорода, окружающие самые яркие скопления галактик. Формирование этих расширяющихся пузырей ознаменовало начало эпохи реионизации (приставка «ре» говорит о том, что газ был ионизирован в самом начале во время Большого взрыва, а теперь подвергся повторной ионизации светом звезд). Этот переходный процесс, который завершился где-то у отметки в миллиард лет, в настоящее время является одним из рубежей наблюдательной астрономии, и мы еще только начинаем понимать, как и когда он произошел. На протяжении следующих 13 миллиардов лет происходило примерно одно и то же: галактики формировались и объединялись, сверхмассивные черные дыры накапливали массу в центрах галактик, рождались и жили своей жизнью новые звезды. Итак, в конце концов мы очутились в том космосе, каким мы его видим сегодня, – в этой огромной и прекрасной паутине галактик, сияющих во тьме. Наша собственная бело-голубая планета вращается вокруг умеренного размера желтой звезды в галактике, которая по всем параметрам близка к средней. И, несмотря на то что нам до сих пор не удавалось обнаружить однозначных признаков этого, наша ничем не примечательная галактика вполне может изобиловать жизнью, поскольку взрывы сверхновых звезд уже давно обеспечили каждый из миллиардов миров основными компонентами для развития биологических форм. Согласно текущим оценкам, в каждой десятой звездной системе есть планета, чей размер и расстояние до звезды позволяет воде на поверхности находиться в жидком состоянии, что может служить признаком существования жизни. В триллионе других галактик в наблюдаемой Вселенной может обитать бесчисленное множество различных видов существ со своей цивилизацией, искусством, культурой, наукой и совершенно особым взглядом на историю космоса. В каждом из этих миров существа, похожие или сильно отличающиеся от нас, тоже могут обнаружить слабый гул космического микроволнового фонового излучения, прийти к выводу о произошедшем когда-то Большом взрыве и к пониманию того, что наш общий космос существовал не всегда, а имел начало, первую частицу и первую звезду. И те другие существа, как и мы, могут прийти к тому же самому заключению: Вселенная не является статичной, она когда-то возникла и неизбежно должна однажды исчезнуть. Глава 3. Большое сжатие Предлагаю начать с конца света. Покончим с ним и перейдем к более интересному. Н. К. Джемисин, «Пятое время года» В темную безлунную осеннюю ночь, находясь в Северном полушарии, посмотрите вверх и найдите на небе созвездие Кассиопея в виде буквы W. Вглядитесь в пространство под ним, и, если небо будет достаточно темным, вы увидите тусклое размытое пятно, ширина которого примерно соответствует диаметру полной луны. Это галактика Андромеды, огромный спиральный диск с триллионом звезд и сверхмассивной черной дырой в центре, который несется нам навстречу со скоростью 110 километров в секунду. Примерно через четыре миллиарда лет галактика Андромеды и наша галактика Млечный Путь столкнутся, устроив потрясающее световое шоу. Звезды будут сходить со своих орбит, образуя звездные потоки, простирающиеся сквозь космос изящными дугами. Внезапное столкновение галактического водорода приведет к рождению новых звезд. Газ воспламенится вокруг спящих в центре галактик сверхмассивных черных дыр, которые начнут постепенно сближаться друг с другом, пока не сольются воедино. Струи интенсивного излучения и частиц высоких энергий будут пронзать хаотический клубок газа и звезд, а в центральной области новой галактики «Млечномеда» образуется испускающий рентгеновское излучение водоворот обреченной материи, падающей в новую, еще более массивную черную дыру. Даже в самый разгар этой галактической катастрофы лобовые столкновения между звездами маловероятны из-за огромных расстояний между ними. Солнечная система в целом, скорее всего, выживет. Чего нельзя сказать о Земле. К тому моменту Солнце уже перейдет в стадию красного гиганта, в результате чего температура Земли увеличится настолько, что океаны полностью испарятся, и жизнь на ее поверхности станет невозможной. Однако, если человечеству удастся найти пристанище в другой части Солнечной системы, то на протяжении нескольких миллиардов лет люди смогут любоваться впечатляющим зрелищем, наблюдая за процессом объединения двух огромных спиральных галактик. Когда струи частиц иссякнут и отбушуют взрывы сверхновых, получившаяся в результате объединения галактик масса будет представлять собой гигантское эллипсоидное скопление старых и умирающих звезд. Каким бы катастрофическим ни казалось слияние галактик его непосредственным участникам, оно представляет собой вполне обычное космическое явление и довольно завораживающее, если наблюдать его с огромного расстояния. Большие галактики разрывают на части и поглощают более мелкие; соседние звездные системы сливаются друг с другом. Существуют свидетельства того, что наш Млечный Путь поглотил десятки своих более мелких соседей, – мы до сих пор можем видеть гигантские звездные хвосты, закручивающиеся вокруг диска нашей галактики, словно обломки, оставшиеся после межзвездной автомобильной катастрофы. Однако в масштабе Вселенной подобные столкновения становятся все более редким явлением. Вселенная расширяется, – пространство, то есть расстояние между объектами, а не сами объекты, увеличивается. Это означает, что отдельные галактики и группы галактик в среднем все сильнее удаляются друг от друга. Внутри самой группы и скопления слияния по-прежнему могут иметь место. В непосредственной близости от нас находятся звездные системы, объединенные в группу с невыразительным названием «Местная группа галактик», представляющую собой разношерстную компанию небольших и неправильных галактик, на фоне которых выделяются две гигантские спирали, и всем им рано или поздно суждено слиться воедино. Однако объекты, находящиеся на больших расстояниях, порядка нескольких десятков миллионов световых лет, судя по всему, удаляются от нас.