Стандартная космологическая модель
Астрофизик Олег Верходанов об угловом спектре мощности, холодной темной материи и измерении космологических параметров
Стандартная космологическая модель — это эволюционное понятие. Понятно, что она меняется фактически с каждым годом, делаются какие-то уточнения, чуть-чуть изменяются параметры, поэтому все это можно обобщить рядом слов. Сейчас это «космологическая модель Лямбда-CDM», где лямбда — это лямбда-член, отвечающий за темную энергию, CDM — это Cold Dark Matter (холодная темная материя). При этом, когда мы говорим «Лямбда-CDM», мы понимаем, что это семейство различных космологических моделей, то есть мы можем чуть-чуть менять параметры, делать какие-то добавления и говорить, что все это находится в рамках данного определения.
Но с чего все начинается? На самом деле, если мы будем исходить из простого, как мы можем построить космологию? Мы можем построить космологию просто из нашего существования. Мы живем, дышим, разговариваем, но на самом деле в нас происходят какие-то процессы. Мы состоим из каких-то химических элементов, которые необходимо было образовать. Сейчас физика образования элементов — один из самых понятных и проверенных моментов в естествознании вообще. Люди сделали водородную бомбу, аналогичные процессы идут в Солнце. Понятно, как из одних веществ образуются другие: как водород, сгорая, образует гелий, и дальше по тяжести и по времени до определенного предела. Вспышки сверхновых дают нам более тяжелые элементы, эти более тяжелые элементы тоже в нас входят.
Значит, если мы посмотрим на нас, мы можем оценить время, которое потребовалось на создание тех элементов, из которых мы состоим. Сам факт нашего существования говорит о том, что время должно быть больше 10 млрд лет. Звезды должны были прожить как минимум две генерации: самые большие массивные звезды до тысячи масс Солнца, которые жили 5–10 млн лет, быстро эволюционировали из-за массы и взрывались, второе поколение звезд, которое из этого появилось, точно так же при взрывах породило более тяжелые элементы, и мы состоим из этих элементов. Берем время жизни звезд — наша граница, сколько мы существуем.
Любопытно, что для того, чтобы образовались звезды, нам необходимо было собрать это вещество в рамках некоторого объема. Чтобы его собрать, нам нужно было загнать бо́льшую массу. Если мы посмотрим, какова масса газа, и запустим процесс конденсации через турбулентность в гравитационный колодец, облако будет схлопываться, и будет образовываться звезда, времени потребуется очень много. Чтобы процесс пошел быстрее, нам нужно туда что-то поместить. Это что-то — темная материя. Это темная материя, которая появилась в момент Большого взрыва, и фактически невидимое вещество, за которым видимое вещество и следовало. То есть когда мы смотрим на крупномасштабную структуру, то за ней видим фактически распределение темной материи. Есть работы, которые позволяют это распределение восстановить в виде облаков — очень красивая паутина. Но оказывается, что темной материи тоже мало.
Сейчас, когда мы знаем модель, по которой все развивалось, оказывается, что если мы возьмем просто темную материю, то она начнет каким-то образом схлопываться и схлопывать все вещество, которое есть в пространстве. Нужно что-то внести, чтобы это распихивать. И это что-то — это и есть темная энергия. Благодаря тому, что есть темная энергия, сверхскопления галактик, которые содержат скопления, не стали схлопываться, а они расширяются вместе со Вселенной. А теперь представим, что, если бы мы все это вогнали в одну общую кучу, у нас начался бы merging — слияние галактик, начался бы обстрел струями, и какая-нибудь струя попала бы на Землю, естественно, нас бы не было: просто сдуло бы атмосферу, и последствия могли бы быть ужасные. Этого нет, спасибо темной энергии. Это простейшие оценки.
Но на самом деле стандартная космологическая модель, которая принята, которая принимается со временем всегда, должна описывать все наблюдательные факты. Какие наблюдательные факты кроме того, что мы есть? Наблюдательные факты — это химический состав Вселенной: приблизительно 75% водорода, приблизительно 25% гелия и все остальное — там 0,01% и меньше — литий и все вещества. Наблюдательный факт, померенный по разным направлениям, то есть все одно и то же. Законы природы везде одинаковы, и мы должны это объяснить в стандартной космологической модели. Как бы далеко мы ни смотрели, соотношение между линиями в спектрах, а значит, постоянная тонкой структуры, в которую входят и скорость света, и постоянная Планка, и заряд электрона, одинаковы, и система кластеризации объектов, то, как они собираются в скопления, а значит, и гравитационная постоянная одинаковы по всем направлениям — это нужно уметь объяснять.
Существует реликтовое излучение, которое почти одинаковое по всем направлениям, и относительные флуктуации на уровне 10-5 — очень маленькие, но они есть, и это наблюдательный факт. Наблюдательный факт, что у нас есть крупномасштабная структура, что вещество везде одинаково собирается в паутину, у нитей этой паутины есть пересечения, эти пересечения мы и называем скоплениями галактик, там сосредоточено видимое вещество, и, как мы знаем, там сосредоточено невидимое вещество — бо́льшая часть там, конечно, невидимого вещества. Кроме того, наблюдательный факт, что есть темная энергия.
Темная энергия была определена по вспышкам сверхновых типа Ia — это стандартные свечи.
Мы знаем, как эти звезды взрываются, белые карлики в тесных двойных системах, когда набирается определенная масса и просто идет термоядерный взрыв. Мы знаем тип объекта по кривой блеска, мы знаем амплитуду, мы знаем, когда был максимум интенсивности, и, соответственно, мы можем определить расстояние, как до лампочки: берем 100-ваттную лампочку, относим от нас и по яркости определяем расстояние. Или можем померить красное смещение (красное смещение — это по линиям, которые там излучаются), дальше строим хаббловскую зависимость и — пожалуйста! — определяем тип динамики Вселенной, которая была.
Самое лучшее объяснение — то, что Вселенная расширяется ускоренно. Значит, действует какая-то сила, которая приводит к этому ускорению, мы знаем этот компонент. Все эти факты, кроме того, еще факт, что Вселенная не кривая на очень больших масштабах, а плоская — плоская не в смысле листика, а плоская в том смысле, что на больших масштабах, 100–200 мегапарсек и больше, все треугольники, построенные по этим масштабам, имеют сумму углов 180 градусов — у нее нулевая кривизна. Локально кривизна может быть ненулевая, как на Земле, у Солнца или какой-нибудь черной дыры, но глобально кривизна практически нулевая. Это наблюдательные факты, которые нужно объяснить. Чтобы их объяснить, строится соответствующая теория. Обращаю внимание, что эта теория строится на тех знаниях, которые получены в лабораторных условиях на Земле, и не придумываются какие-то специфические, сложно объяснимые явления. Как правило, то, что разрабатывает теория, очень часто подтверждается или сначала обнаруживается в лабораторных условиях. Точно так же и с тем, как мы объясняем все это окружающее пространство. Единственное, остается вопрос — это природа темной материи и природа темной энергии, но и там и там видны пути, куда можно двигаться.
Итак, для объяснения этих фактов подходит на настоящий момент единственная модель — это космологическая модель Лямбда-CDM. Часто добавляют спереди еще слово «инфляционная». Что это означает? Инфляционная модель говорит, что нам необходимо иметь определенную эпоху, когда Вселенная раздувалась очень быстро. Потому что, зная динамику Вселенной по разным параметрам, мы можем мысленно обратить время вспять и увидеть, что Вселенная не сожмется в точку. А законы природы везде одинаковы. Нужно объяснить, как несвязанные между собой концы Вселенной обменялись информацией. А если она была размером в сантиметр, например, когда мы сдвигаем ее назад по времени, обменяться они бы не успели. И тогда Старобинский, Линде, Гус, Стейнхардт придумали систему, когда Вселенная расширялась очень быстро, когда действовало определенное поле, это поле при распаде порождало частицы и фактически сделало наш мир плоским, перевело квантовые флуктуации в флуктуации вещества, которое мы сейчас видим вокруг как скопления галактик — у них гауссово распределение, то есть одинаковое по всем направлениям, — и фактически объяснило окружающий нас мир.
Другой вопрос: могут ли существовать такие поля, которые делают это быстро — раздувание, то есть инфляцию? Да, могут. Таких полей известно два: поле Хиггса, за которое дали в 2013 году Нобелевскую премию, скалярное поле, действующее одинаково по всем направлениям, и, вероятно, поле, отвечающее за темную энергию, точно так же действующее по всем направлениям. То есть такие поля в природе существуют. В принципе можно сказать, и сейчас есть такие гипотезы, что темная энергия — это то же самое поле, что и делало инфляцию. То есть что происходило? Возникло некое поле, а такие поля, по-видимому, возникают везде случайным образом, как в вакууме рождаются виртуальные частицы — это наблюдательный факт. Эффект Казимира нам говорит о том, что вакуум у нас непуст и постоянно что-то происходит. Точно так же рождаются эти поля. Что-то случилось, и поле просто стало расширяться дальше. Но после того на определенных масштабах стало рождаться вещество, произошел разогрев, потом поле как бы перестало действовать. Мы тоже знаем, что такое есть, допустим, в атомной физике: сильное взаимодействие действует на определенных масштабах. А Вселенная расширялась по инерции дальше, но с замедлением, потому что родившееся вещество ее сдерживало. Но начиная с некоторого момента, приблизительно 6,5 млрд лет назад, Вселенная начала расширяться ускоренно, потому что гравитация перестала ее удерживать изнутри.
Как происходит измерение космологических параметров во всех экспериментах? Понятно, что из всех экспериментов, которые есть, строится единая модель. Кроме того, что, как я уже говорил, это инфляционная космологическая модель Лямбда-CDM, к этому надо добавить еще одно слово — это согласованная инфляционная космологическая модель Лямбда-CDM. Согласованная означает, что она должна удовлетворять всем экспериментам, которые есть. Она действительно удовлетворяет, но на самом деле самый лучший эксперимент — это измерение флуктуаций реликтового излучения.
Само реликтовое излучение несет в себе десять скрытых независимых тестов, по которым можно определить космологические параметры.
На разных масштабах, со скоплениями галактик и с разным типом поляризации можно исследовать различные особенности строения Вселенной. Как это делается? Мы знаем теорию, мы эту теорию можем построить здесь, в земных условиях, мы можем ее промоделировать на компьютере и предсказать, как у нас выглядит зависимость энергии, содержащейся в реликтовом излучении, на больших и малых масштабах от самих масштабов. То есть мы строим эту зависимость, она называется угловой спектр мощности, и он позволяет нам определить все космологические параметры с невероятной точностью, которая на самом деле превышает 5% — она кажется очень высокой. Это эпоха точной космологии. Мы это можем делать благодаря тому, что заатмосферные спутники летают очень далеко от Земли. Это спутники COBE — Нобелевская премия, WMAP — премия Грубера за измерение космологических параметров и «Планк». «Планк» закончил свои последние наблюдения в 2013 году, предоставил нам карты температуры, предоставил нам карты поляризации, и это привело к очень точному знанию основ возникновения и эволюции Вселенной.
Сейчас по крайней мере цифрами мы можем объяснять, как все происходило от самого раннего момента времени. Как это происходит? Мы можем построить спектр мощности, зная определенные законы природы. Мы можем эти аналитические процедуры по расчету включить в блок, позволяющий предсказывать поведение фотонов на различных временах, на различных масштабах, то, как они связываются с веществом, со скоплениями вещества, которые растут со временем. Как это взаимодействие происходит? Есть много различных эффектов. Это эффект в переменном гравитационном потенциале при пролете фотона — эффект Сакса — Вольфа, когда фотон залетает с одной частотой и вылетает с другой в потенциальный колодец только потому, что в этот момент произошло изменение гравитационного потенциала — формируются скопления, например. Это эффект Сюняева — Зельдовича, когда фотон взаимодействует с горячим электроном скопления и электрон придает ему свою энергию, в результате мы смещаем максимум амплитуды в более высокую полосу частот. Все это представляет собой некие независимые тесты, по которым мы можем определить параметры. Кроме того, мы это делаем законно.
Спектр мощности — функция, которая объясняет нам это распределение, — состоит из трех тысяч независимых точек. Ни один другой эксперимент не имеет такого числа независимых данных, то есть сам спектр мощности. Это позволяет нам иметь степень свободы две с половиной тысячи свободных параметров, например. Но в этом нет необходимости.
Современная космологическая модель описывается шестью параметрами, и у нее возможно расширение. Эти шесть параметров — параметры плотности, темной энергии, темной материи, видимой материи, это параметры, связанные с формированием первых флуктуаций, их амплитуда, и это параметр, связанный с эпохой образования первых звезд. Это основные параметры, которые определяют нашу Вселенную. Но есть и неосновные. Наблюдательная космология, связанная с реликтовым излучением, — сейчас одно из самых финансово поддерживаемых направлений. Именно там ожидаются дополнительные открытия, именно туда сейчас обращены все взоры. Потому что удается добраться до самых ранних моментов Вселенной — это 10-35 сек от рождения Вселенной, еще до эпохи инфляции. То, что произошло в эпоху инфляции с возникновением первичных флуктуаций, которые связаны с первичными гравитационными волнами, должно привести к тому, что мы сейчас видим. И, обращая время вспять, видя эти параметры, как они должны влиять, допустим, на поляризацию, мы можем сказать, что было. И я думаю, именно здесь нужно ожидать и искать фундаментальные открытия.
Олег Верходанов
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
