110

 
   Космические истоки 
   Как мы говорили в предыдущих главах, космическое микроволновое фоновое излучение играет доминирующую роль в космологических исследованиях с момента его открытия в середине 1960х. Причина ясна: на ранних этапах вселенной пространство было заполнено смесью электрически заряженных частиц – электронов и протонов, – которые с помощью электромагнитного взаимодействия непрерывно испускали и поглощали фотоны сюда и туда. Но всего через 300 000 лет после Взрыва вселенная охладилась достаточно, чтобы электроны и протоны соединились в электрически нейтральные атомы, – и дальше с этого момента радиация путешествует сквозь пространство большей частью беспрепятственно, обеспечив четкую мгновенную фотографию ранней вселенной. Имеется грубо 400 миллионов этих первичных фотонов космического микроволнового излучения, нетронутых реликтов ранней вселенной, рассеянных в каждом кубическом метре пространства. 
   Начальные измерения микроволновой фоновой радиации определили, что ее температура в высшей степени однородна, но, как мы обсуждали в Главе 11, более пристальная проверка, впервые выполненная в 1992 Зондом Космического Фона (Cosmic Background Explorer – COBE) и с тех пор усовершенствованная большим числом наблюдений, нашла доказательство малых температурных вариаций, как показано на Рис 14.4а. Данные отмечены серым со светлыми и темными пятнами, показывающими температурные вариации примерно в несколько десятитысячных градуса. Неровности рисунка показывают мелкие, но неопровержимо реальные неровности температуры радиации по небу. 
   Хотя это впечатляющее открытие само по себе, эксперимент COBE также обозначил фундаментальное изменение в характере космологических исследований. До COBE космологические данные были грубыми. Напротив, космологическая теория считалась жизнеспособной, если она могла соответствовать приблизительным особенностям астрономических наблюдений. Теоретики могли предлагать схему за схемой лишь с минимальным анализом соответствия наблюдательным ограничениям. Тогда просто не было достаточного количества наблюдательных ограничений, а те, которые существовали, не были особенно точными. Но COBE инициировал новую эру, в которой стандарты ощутимо ужесточились. Теперь имеется растущий ком точных данных, с которыми теория должна успешно справляться, даже чтобы быть просто рассмотренной. В 2001 был запущен спутниковый Зонд Микроволновой Анизотропии имени Вилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP), совместный венчурный проект НАСА и Принстонского Университета, чтобы измерять микроволновое фоновое излучение с примерно в сорок раз большим разрешением и чувствительностью, чем у COBE. 
 
 
 
 
   (а) (b) 
   Рис 14.4 (а) Данные по космической микроволновой фоновой радиации, собранные спутником COBE. Радиация свободно путешествовала сквозь пространство с момента примерно 300 000 лет после Большого взрыва, так что эта картина представляет мельчайшие температурные вариации, существовавшие во вселенной около 14 миллиардов лет назад. (b) Усовершенствованные данные, собранные спутником WMAP. 
 
   Сравнивая начальные результаты WMAP, Рис. 14.4b, с результатами COBE, Рис.14.4а, вы можете немедленно увидеть, насколько более точную и более детальную картину смог обеспечить WMAP. Другой спутник, Планк (Plank), который разрабатывается Европейским Космическим Агентством, планируется к запуску в 2007 и, если все пойдет по плану, будет лучше WMAP по разрешению во много раз. 
   Наплыв точных данных просеивал поле космологических предположений, среди которых инфляционная модель является, несомненно, ведущим игроком. Но, как мы отмечали в Главе 10, инфляционная космология не однозначная теория. Теоретики предложили много различных вариаций (стоит просто перечислить несколько: старая инфляция, новая инфляция, теплая инфляция, гибридная инфляция, гиперинфляция, вспомогательная инфляция, вечная инфляция, расширенная инфляция, хаотическая инфляция, двойная инфляция, маломасштабная инфляция, гипернатуральная инфляция), каждая из которых содержит признак короткого взрыва и быстрого расширения, но все отличаются в деталях (в числе полей и форме их потенциальной энергии, в том, какие поля усаживаются на энергетическое плато, и так далее). Эти различия выдают слабо отличающиеся предсказания для свойств микроволновой фоновой радиации (разные поля с разными энергиями имеют слабо различающиеся квантовые флуктуации). Сравнение с данными WMAP и Plank должно быть способным отсеять многие предложения, существенно уточнив наше понимание. 
   Фактически, данные могут сузить поле предположений еще дальше. Хотя квантовые флуктуации, растянутые инфляционным расширением, обеспечивают убедительное объяснение наблюдаемым вариациям температуры, эта модель имеет соперника. Циклическая космологическая модель Стейнхардта и Турока, описанная в Главе 13, предлагает альтернативный взгляд. Когда две 3-браны циклической модели медленно направляются друг к другу, квантовые флуктуации будут подвергать воздействию различные части бран в слабо различающихся степенях. Когда браны в конце концов сталкиваются, грубо триллионом лет позже, различные области на бранах будут контактировать в слабо отличающиеся моменты, до некоторой степени как два куска шершавой наждачной бумаги, схлопнувшиеся друг с другом. Мельчайшие отклонения от совершенно однородного столкновения дадут мельчайшие отклонения от совершенно однородной эволюции на каждой бране. Поскольку одна из этих бран предполагается нашим трехмерным пространством, отклонения от однородности являются отклонениями, которые мы должны быть в состоянии обнаружить. Стейнхардт, Турок и их соратники доказывали, что неоднородности генерируют отклонения температуры такой же формы, как это появляется из инфляционной схемы, а потому с сегодняшними данными циклическая модель предлагает эквивалентно жизнеспособное объяснение наблюдениям. 
   Однако, более уточненные данные, которые будут собраны в течение следующих десяти лет, могут найти различие между двумя подходами. В инфляционной схеме не только квантовые флуктуации поля инфлатона растягиваются взрывом экспоненциального расширения, но и мельчайшая квантовая рябь в пространственной ткани также генерируется при интенсивном внешнем растягивании. Поскольку рябь в пространстве является ничем иным, как гравитационными волнами (как в нашей недавней дискуссии про LIGO), инфляционная схема предсказывает, что гравитационные волны производились в ранние моменты вселенной.^[8] Их часто называют изначальные гравитационные волны, чтобы отличить их от волн, которые генерируются более недавними интенсивными астрофизическими событиями. В циклической модели, в отличие от этого, отклонения от совершенной однородности строятся медленно, в течение почти непостижимого промежутка времени, пока браны тратят триллион лет, медленно направляясь к их следующему шлепку. Отсутствие резких и энергичных изменений в геометрии бран и в геометрии пространства означает, что пространственная рябь не генерируется, так что циклическая модель предсказывает отсутствие изначальных гравитационных волн. Таким образом, если изначальные гравитационные волны удастся обнаружить, это будет еще одним триумфом инфляционной схемы и определенно исключит циклический подход. 
   Маловероятно, что LIGO будет достаточно чувствительным, чтобы обнаружить предсказанные инфляцией гравитационные волны, но возможно, что они будут наблюдаться косвенно или с помощью Plank, или с помощью другого спутникового эксперимента, названного экспериментом по Поляризации Космического Микроволнового Фона (Cosmic Microwave Background Polarization – CMBPol), который сейчас планируется. Plank и CMBPol, в особенности, не будут сфокусированы исключительно на температурных вариациях микроволнового фонового излучения, но также будут измерять поляризацию, направления среднего спина обнаруженных микроволновых фотонов. Через цепочку аргументов, слишком запутанных, чтобы их раскрывать здесь, это приводит к тому, что гравитационные волны от Взрыва должны оставить особый отпечаток на поляризации микроволнового фонового излучения, возможно отпечаток достаточно большой, чтобы быть измеренным. 
   Так что в течение десятилетия мы можем быстро получить ответ на вопрос, был ли Взрыв на самом деле шлепком, и является ли вселенная, о которой мы осведомлены, на самом деле 3-браной. В золотую эру космологии некоторые из самых диких идей могут быть на самом деле проверяемы. 
 
   Темная материя, темная энергия и будущее вселенной 
   В Главе 10 мы ознакомились со строгим теоретическим и экспериментальным доказательством, установившим, что не более чем 5 процентов массы вселенной происходит от составляющих, найденных в привычной материи, – протонов и нейтронов (электроны оцениваются менее, чем в 0,05 процента от массы обычной материи), – тогда как 25 процентов происходит от темной материи и 70 процентов от темной энергии. Но здесь все еще есть существенная неопределенность относительно идентификации всей этой темной мешанины. Естественная гипотеза заключается в том, что темная материя также составлена протонами и нейтронами, теми, которые как-то избежали совместного слипания в форме эмитирующих свет звезд. Но другие теоретические рассмотрения делают эту гипотезу очень маловероятной. Через детальные наблюдения астрономы имеют ясное знание о среднем относительном распространении легких элементов – водорода, гелия, дейтерия и лития, – которые рассеяны по всему космосу. До высокой степени точности соответствие их распространения теоретическим расчетам процессов приводит к уверенности, что эти ядра были синтезированы в течение первых нескольких минут вселенной. Это согласие является одним из величайших успехов современной теоретической космологии. Однако, эти расчеты предполагают, что объем темной материи не составлен из протонов и нейтронов; если на космологических масштабах протоны и нейтроны были бы доминирующими составляющими, существующий космический рецепт был бы отброшен и расчеты выдали бы результаты, которые исключаются наблюдениями.
   Итак, если не протоны и нейтроны, то что составляет темную материю? 
   До сегодняшнего дня никто не знает, но нет недостатка в предположениях. Имена кандидатов пробегают диапазон от аксионов до зино, и любой, нашедший ответ, несомненно, будет оплачивать визит в Стокгольм. То, что никто еще не обнаружил частиц темной материи, устанавливает существенные ограничения на любое предположение. Причина в том, что темная материя не только расположена в удаленном пространстве; она распределена по всей вселенной, так что должна также доносится до нас здесь, на Земле. В соответствии со многими предположениями прямо сейчас миллиарды частиц темной материи простреливают ваше тело каждую секунду, так что жизнеспособными кандидатами являются только такие частицы, которые могли бы проникать через объемную материю не оставляя существенных следов.