Pro темную материю

Его коллеги, проводившие эксперименты на интерферометре под Ганновером, подтвердили, что шум есть, и он искажает результаты. Хоган посчитал этот шум сигналом больших пикселей с ткани пространства – времени. И тогда для проверки его версии в «Фермилаб» построили своей интерферометр, правда, гораздо меньшего размера, но с более мощным лазером. Если бы все получилось так, как предполагали сторонники голографической теории, получилось бы, что в основе мироздания лежат не частицы, а волны и их взаимодействие.

Однако ткань пространства – времени ни разу не вздрогнула, из чего можно сделать вывод, что Вселенная – совсем не голограмма, а реальный объект.

Необходимость уникальных условий

Теория Большого взрыва объясняет и то, что с нами будет дальше: эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра – средней плотности материи нынешней Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого критического значения (оно существует только в теории), Вселенная будет расширяться вечно. Если же плотность превысит критическую, то процесс расширения когда-нибудь остановится, и начнется обратная фаза, сжатия, возвращающая Вселенную к исходному состоянию.

То есть имеются два сценария конца: либо Вселенная сожмется и взорвется, либо умрет «холодной смертью». Если нас ждет первый вариант, то расширение, которое продолжается сейчас, постепенно сменится сжатием, галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в сплошной конгломерат звезд. Небо будет становиться все ярче (но не из-за звезд, которые к тому времени уже умрут), а из-за растущего микроволнового излучения. Оно разогреет всю материю до высочайших температур, и существа, которые еще будут живы, на себе почувствуют, что такое ад. В конце – коллапс. Второй вариант – Вселенная будет расширяться вечно, звезды исчерпают ядерное топливо и остынут. Вселенная станет совершенно темной и холодной, с призрачными галактиками, разлетающимися кто куда в расширяющейся пустоте. Постепенно все объекты превратятся в пыль.

Может, все начнется сначала? И снова через миллиарды лет люди будут читать Книгу Бытия: «Земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою». Что было дальше? «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет… и отделил Бог свет от тьмы».

Но Вселенная есть и мы являемся ее частью. Из чего состоит Вселенная? Из планет, звезд, других небесных (астрономических) тел, пустых зон, межзвездного газа и пыли, темной материи и темной энергии. Вся материя собрана в гравитационно связанные системы (галактики), участвующие в движении относительно общего центра масс. Точное количество галактик неизвестно, в настоящее время считается, что их свыше 100 миллиардов. Мы живем в галактике Млечный Путь, в которой, по современным оценкам, от 200 до 400 миллиардов звезд. Все звезды в галактике удерживаются силами гравитации темной материи. Одиночных галактик мало, около 95 % всех галактик образуют скопления, в которых также присутствуют темная материя и темная энергия (от 70 до 90 %), межгалактический газ и пыль (от 10 до 30 %) и собственно звезды (около 1 % от массы группы).

Наш Млечный Путь входит в группу вместе с галактикой Андромеды, объединяющей более 300 млрд звезд и расположенной на расстоянии в 2 млн световых лет от Земли, Большим Магеллановым Облаком, где 15 млрд звезд, а расстояние от Земли составляет 170 тысяч световых лет, и Малым Магеллановым Облаком, насчитывающим 5 млрд звезд, на расстоянии 200 тысяч световых лет, плюс еще 40 более мелких галактик. Наша группа входит в комплекс скоплений галактик, который называется «местным сверхскоплением», туда также входят группы галактик в созвездиях Девы и Большой Медведицы. В сверхскоплениях (которые насчитывают тысячи галактик) силы притяжения недостаточны, чтобы удержать галактики вместе, и они разлетаются под действием силы темной энергии.

Наша галактика входит в 5 % всех наблюдаемых спиральных галактик, остальные 95 % имеют эллиптическую или неправильную форму. В этих галактиках возникновение жизни крайне затруднено, в частности из-за малого количества тяжелых химических элементов и высокого уровня радиоактивного облучения.

Наша Солнечная система в спиральной галактике Млечный Путь оказалась в «нужном» месте спирального рукава и на «нужном» расстоянии от центра галактики (Солнце находится на расстоянии 26000 световых лет от него). В противном случае эта система не получила бы достаточного количества тяжелых химических элементов, которые поставляют сверхновые звезды после своего взрыва, а также фтора, который дают белые карликовые звезды, или жизнь была бы уничтожена мощными излучениями радиации и выбросами материальных частиц.

Также наше Солнце находится далеко и от опасных спиральных рукавов (во внутреннем крае так называемого «рукава Ориона»). В центре Млечного Пути находится черная дыра, в результате деятельности которой высвобождаются огромные количества рентгеновских лучей, гамма-лучей и корпускулярного излучения, а они смертельны для жизни. Также в центре галактики и ее спиральных рукавах взрывается много сверхновых звезд. Солнечная система находится на круге, где период вращения рукавов практически совпадает с периодом обращения системы вокруг ядра галактики – другими словами, наше Солнце очень редко проходит сквозь рукава, в отличие от большинства звезд Млечного Пути. Но при этом наша Солнечная система не находится и на далекой периферии галактики (периферия – не лучшее место для возникновения жизни, так как там мало звезд, скорость возникновения новых, от которых поступает «строительный» материал для планет, намного меньше).

Чтобы на какой-то планете могла существовать жизнь, ее звезда должна обладать уникальным набором характеристик. К ним относятся масса, излучение, состав, орбита, расстояние до планеты, тип галактики и определенная позиция в ней; также звезда должна была сформироваться в строго определенный момент развития галактики. Звезда должна быть одиночной (в нашей галактике таких только 25 %).

Наше Солнце обладает необходимыми характеристиками и является огромной редкостью с точки зрения астробиологии. До настоящего времени, несмотря на многолетние и усиленные поиски, астрономам не удалось обнаружить вторую звезду, характеристики которой совпали бы с параметрами Солнца, которое относится к желтым карликам класса G.

Солнце также входит в 10 % самых массивных звезд нашей галактики, однако отмечу, что чем больше масса звезды (например, на 20 % больше солнечной), тем меньше ее «жизненный цикл» (примерно 2 млрд лет вместо 10 млрд), ее яркость будет меняться сильнее, ультрафиолетовое излучение, вредное для жизни, окажется мощнее.

Солнце – молодая звезда, оно относится к звездам третьего поколения, то есть образовалось из останков звезд первого и второго поколений. Это произошло примерно 4,59 млрд лет назад при быстром сжатии облака молекулярного водорода под действием сил гравитации. По сравнению с другими звездами такого возраста в нашем районе галактики, Солнце отличается высоким содержанием тяжелых элементов, в частности, железа, никеля, магния, алюминия, натрия, кальция, хрома и ряда других, вращается по более циркулярной орбите, совершая полный оборот за 200 млн лет.

Состояние нашей звезды намного стабильнее большинства сопоставимых звезд, так как в течение солнечного цикла интенсивность излучения примерно постоянна, увеличиваясь в момент максимума всего на 0,1 %. В ядре Солнца постоянно происходит превращение водорода в гелий, первый составляет примерно 73 % от всей массы Солнца, а второй примерно 25 %. Если выразиться по-другому, то при температуре более 14 млн градусов осуществляется термоядерная реакция, в результате которой из четырех протонов образуется гелий-4. Каждую секунду около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, генерируется солнечное излучение. Оно несет Земле жизненно необходимую энергию соответствующего спектра и интенсивности.

Уникальным является не только Солнце, но и наша Земля – и звезда, и планета оказались в максимально пригодном для жизни месте. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца (150 млн километров), в так называемой «околозвездной обитаемой зоне», и постоянное пребывание в этой зоне важно для поддержания и сохранения постоянства климата. Смещение Земли всего на 2 % сделало бы жизнь на ней невозможной. Если бы Земля была ближе к Солнцу, то вся вода испарилась бы, если дальше – замерзла. Умеренная температура земной поверхности позволяет воде находиться в жидком состоянии, чего нет на других планетах. Хотя допустимо небольшое изменение скорости вращения Земли вокруг своей оси без ущерба для высокоорганизованных форм жизни.

Угол наклона земной оси тоже оптимален и составляет 23,5 градуса относительно перпендикуляра к плоскости орбиты. Благодаря углу наклона земной оси обеспечиваются хорошие климатические условия на большей части поверхности планеты. Оптимальными оказались и размеры, и масса нашей планеты. Диаметр составляет 12,5 тысяч км, а масса = 5,97 ? 1024 кг. Если бы эти показатели были меньше, то у Земли не было бы атмосферы (как, например, ее нет у Луны). Если показатели были бы больше, то в атмосфере сохранились бы ядовитые газы (метан, аммиак, водород).

Кроме того, планета с недостаточной массой не может удержать внутреннее тепло и быстро остывает. Железное расплавленное ядро планеты создает магнитное поле, защищающее ее биосферу от губительного воздействия космических лучей, заряженных частиц солнечного ветра, жесткого рентгеновского излучения. Наша планета уникальна и своей атмосферой – соотношением в ней объемов кислорода и азота, уровнями углекислого газа, водяного пара, озона. При меньшем количестве кислорода в воздухе (менее 21 % атмосферы) задохнулись бы крупные млекопитающие, при увеличении количества кислорода планета страдала бы от постоянных пожаров. Особенный состав земной атмосферы (в частности, наличие озона) обеспечивает поглощение рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Уникальны наши морская и пресная вода, при этом многие полезные для жизни вещества очень хорошо растворяются в воде, а вредные растворяются плохо. Пары воды легче сухого воздуха, что важно для переноса теплоты и круговорота воды на планете, а атмосфера не дает воде улетучиться в космос.

Из сказанного можно сделать вывод, что для существования Вселенной, галактики и обитаемой планеты необходимы уникальные условия. Регулярные научные наблюдения позволили открыть 26 параметров, которые должны иметь строго определенные значения для существования Вселенной и жизни в ней. Это: постоянная сильного и слабого ядерного взаимодействия, постоянная гравитационного взаимодействия, постоянная электромагнитного взаимодействия; отношение массы нейтрона к массе протона, протона к массе электрона, отношение количества протонов к количеству электронов и ряд других параметров. Они должны иметь строго постоянные значения!

Например, если бы сильное ядерное взаимодействие (сила, определяющая степень притяжения протонов и нейтронов в ядре атома) было всего на 2 % слабее существующего, то протоны и нейтроны не смогли бы удержаться вместе и во Вселенной существовал бы только один элемент. Это был бы водород, ядро атома которого состоит из одного протона, а нейтрона не имеет. Если бы, наоборот, сильное ядерное взаимодействие было всего на 0,3 % сильнее существующего, то протоны и нейтроны притягивались бы друг к другу с такой силой, что во Вселенной не было бы водорода. Жизнь без водорода невозможна и она также невозможна, если единственным элементом является водород. А если бы, например, протоны оказались тяжелее нейтронов, то они превратились бы в нейтроны, но без протонов было бы невозможным существование атомов и молекул. Соотношение между количеством протонов и электронов должно быть точным – галактики, звезды и планеты никогда бы не образовались, если бы количество протонов не равнялось количеству электронов.

Жизнь на Земле была бы невозможна, если бы не 41 физический и космологический параметр, каждый из которых должен иметь вполне определенное значение. Американский астрофизик Хью Росс рассчитал вероятность случайного совпадения 41 такой характеристики и получил величину, равную 10–53. Отмечу, что ученые считают практически невозможной вероятность события, меньшую, чем 10–40. Примерное количество планет во Вселенной составляет 1020. Есть ли где-то условия для возникновения жизни, как в нашей галактике, нашей Солнечной системе, на нашей Земле? Это могло произойти без вмешательства Высшего разума? Отмечу, что в наши дни многие ученые приходят к вере благодаря занятиям наукой, которая вескими научными фактами подтверждает «толчок Создателя».

Доказательства теории Вселенной

Вернемся к Эдвину Хабблу и расширению Вселенной. Хаббл был наблюдателем, он собирал доказательства и хотел, чтобы теории строили теоретики.

Вообще, расширение Вселенной было предсказано и обосновано Александром Фридманом; этим же вопросом занимался Жорж Леметр. Теорию расширяющейся Вселенной он разработал независимо от Фридмана. Во время визита в США он познакомился с исследованиями Хаббла и Слайфера по красному смещению галактик и в дальнейшем опубликовал свое объяснение этого явления. Леметр отождествлял наблюдаемое спектроскопически разбегание галактик с расширением Вселенной. Он также говорил и о расширении «в обратном направлении», будто прокручивал пленку назад: размер Вселенной сжимается, она становится меньше и меньше, галактики соединяются и уменьшаются, процесс идет быстрее и быстрее, пока не достигает состояния, которое он называл «первичным», или «первозданным атомом», с которого все и началось. Теория эволюции Вселенной, начиная с этого самого атома, и есть теория Большого взрыва.

Выше я рассказал о двух основных теориях, связанных с Вселенной: теории Большого взрыва, которая признается уже почти сто лет, и теории стационарной Вселенной, которая теперь почти не имеет последователей. Ученые всего мира искали доказательства для подтверждения той или другой модели. В частности, этим занимался канадский и американский физик Джим Пиблс, работающий в области теоретической космологии, и американский физик Роберт Дикке, интересы которого лежали в сфере астрофизики, атомной физики, космологии и гравитации.

Джим Пиблс, канадский физик-теоретик (род. в 1935)

Пиблс и Дикке совместно занимались вопросом физического состояния ранней Вселенной и предсказали существование реликтового излучения. Одновременно с ними это сделали Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков, которые проводили исследования электромагнитных фонов Вселенной. После того как Дикке вместе с Питером Роллом и Дэвидом Уилкинсоном занялись конструированием радиометра для проверки предсказания, они с удивлением узнали, что их опередили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимавшиеся проблемой уровня шумов. Группа Дикке работала в Принстонском университете, а Пензиас с Вильсоном в Bell Labs, крупной американской, а в настоящее время франко-американской корпорации и исследовательском центре в области телекоммуникаций, электронных и компьютерных систем, всего в нескольких милях от них! Группа Дикке провела независимые измерения и подтвердила существование фона, а также дала теоретическое объяснение результата Пензиаса и Вильсона и фактически перевела физику ранней Вселенной из разряда спекуляций в экспериментальную науку.

Дикке с Пиблсом познакомились в Принстонском университете. Пиблс занялся космологией в период обучения в аспирантуре. Он был лучшим студентом-физиком в Манитобском университете, Канада, но, оказавшись в Принстоне, понял, что мало знает физику, несмотря на высокие оценки и награды. Получив приглашение, он стал членом группы, собиравшейся по пятницам на чердаке над физической лабораторией. В нее входили студенты старших курсов, аспиранты, сотрудники университета. В этой неформальной обстановке за пивом и пиццей обсуждались важные для мировой науки вопросы. Называли они себя «Птицы Дикке».

После того как Дикке узнал, как Пиблс пытался провести собственное исследование, чтобы определить для себя, какой все же является Вселенная, он предложил Пиблсу поучаствовать в практических экспериментах его группы, в частности по измерению температуры Большого взрыва, и поработать с радиоволнами, которые, как известно, отличаются от видимого света только частотой. К этому времени Пиблс уже хорошо изучил труды Эйнштейна, Леметра и Фридмана – с упором на то, что касалось Вселенной. Что она собой представляет? Что говорит теория относительности о форме Вселенной? Чтобы упростить математические вычисления, Эйнштейн предположил, что распределение материи во Вселенной гомогенно, или однородно – то есть она единообразна. Независимо от Эйнштейна Жорж Леметр и Александр Фридман сделали то же предположение и добавили к нему еще одно: Вселенная изотропна – едина во всех направлениях, свойства физических объектов от направления не зависят. То есть: в какую сторону вы бы ни посмотрели, все будет выглядеть одинаково. В дальнейшем, с появлением теории стационарной Вселенной, появилось еще одно предположение: Вселенная однородна и изотропна не только в пространстве, но и во времени. То есть она будет выглядеть одинаково в любом направлении, независимо от того, где вы в ней находитесь и в какое время.

Пиблс специально посетил лекцию, посвященную теории стационарной Вселенной, но пришел к выводу, что сторонники этой теории все выдумали. Он считал, что Вселенная не может быть однородной, будь то в пространстве или времени – и уж тем более в пространстве и времени одномоментно. Он посчитал такую модель несерьезной и согласился с ее критиками, которые утверждали, что она была придумана как относительно простая математическая модель, а не для отражения даже известной на тот момент реальности.

Роберт Дикке, американский физик и космолог (1916–1997)

Почему вообще кто-то считает Вселенную простой? Вселенную из всего, что есть на свете? С другой стороны, многие серьезные ученые предпочитают следовать принципу, предложенному францисканцем, философом-схоластом и логиком Уильямом Оккамом (1285–1349) еще в XIV веке: вначале следует проверить простейшие предположения и усложнять их только по мере необходимости. Поэтому предположение Эйнштейна об однородной Вселенной было вполне логичным, но недостаточным, чтобы служить основой науке, дающей предсказания, которые в свою очередь ведут к наблюдениям, а на основе этих наблюдений делаются выводы.

Отношение к делу Пиблса и Дикке совпали. Дикке написал статью в American Journal of Physics (Американский физический журнал), посвященную космологии, где заявил, что корни космологии уходят в философские размышления, но постепенно она превращается в физическую науку. Однако наблюдений пока еще мало, чтобы служить ее основой, и поэтому философские размышления продолжают играть важную роль, а иногда и доминируют. Пиблса привлекла возможность поучаствовать в сборе данных наблюдений, которые должны служить основой науки. Тем временем Ролл и Уилкинсон построили радиоантенну. Они хотели заниматься космологией научным путем.

Конструкция вращающейся 14-метровой радиоантенны и ресивера Карла Янски, 1929

Уже в конце XIX века ученые говорили о том, что радиоволны должны излучаться и небесными телами. Первый намек на то, что радиоволны могут оказаться новым способом, помогающим увидеть Вселенную, относится к 1930-м годам. Это было одним из случайных открытий, сделанных в Bell Labs. В 1932 году один из инженеров пытался избавить трансатлантическую радиотелефонную связь от странного шума и пришел к выводу, что этот шум происходит от звезд Млечного Пути. Новость попала на первую страницу «Нью-Йорк Таймс», а затем была благополучно забыта. И только после Второй мировой войны использование радиоволн для изучения астрономии стало широко распространенным явлением.

Годом рождения радиоастрономии считается 1931 – в этом году Карл Янски (1905–1950), американский физик и радиоинженер, начал свои эксперименты. Он же считается основоположником радиоастрономии – науки, которая исследует небесные тела по их радиоизлучению. Но Янски выступил с заявлением только в декабре 1932 года: сообщил об открытии радиоизлучения космического происхождения. Первым был обнаружен самый сильный радиоисточник непрерывного излучения в центре Млечного Пути.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии в целом, особенно после открытия нескольких новых классов объектов, включая пульсары, межзвездный газ, квазары и радиогалактики, а также реликтовое излучение.

И Дикке, и Пиблс предполагали, что радиоастрономия позволит увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Наземные радиоастрономические наблюдения могут проводиться в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м, более короткие и более длинные волны поглощает атмосфера.

Отмечу, что вскоре после эксперимента в Принстоне разрешающая способность радиоастрономических инструментов превысила возможности оптических телескопов. А компания из Принстона сосредоточила свое внимание на самых длинных волнах, потому что их отличает самая низкая энергия – та самая, которой должно обладать излучение, охлаждавшееся почти с самого начала времен до наших дней.

Пиблс работал, взяв за основу нынешнее состояние Вселенной (то есть состояние на момент проведения эксперимента), и двигался назад к первобытному состоянию. В настоящее время Вселенная на три четверти состоит из водорода, самого легкого элемента: в атоме водорода один протон. Чтобы такое количество водорода сохранилось до наших дней, в самом начале должно было существовать очень сильное излучение, потому что только невероятно горячая среда могла достаточно быстро спечь атомные ядра, не позволив отдельным протонам соединиться с другими субатомными частицами для формирования гелия и других более тяжелых элементов. По мере расширения Вселенной и увеличения объема ее температура падала. Поэтому, имея данные о сегодняшнем процентном содержании водорода, можно выяснить, насколько сильным было излучение в самом начале существования Вселенной, рассчитать, как она с тех пор расширилась и насколько упала температура.

Но радиоантенна температуру не измеряет, по крайней мере, непосредственно. Температура предмета определяет движение электронов – чем она выше, тем больше движения. Движения электронов в свою очередь производят радиошумы – чем больше движения, тем больше шума. Поэтому интенсивность шума может сказать о силе движения электронов, а это даст температуру предмета – или эквивалентную температуру радиошума.

В ящике со светонепроницаемыми стенками единственным источником радиошума будут движения электронов в стенках. Если в ящик-Вселенную поставить радиоприемник, то интенсивность атмосферных помех даст эквивалентную температуру стен «Вселенной» – реликтовое излучение.

Что это такое? Это фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютного черного тела с температурой около 3К. Происхождение реликтового излучения в настоящее время связывают с эволюцией Вселенной, которая, как считают сторонники теории Большого взрыва, в самом начале имела очень высокую температуру и плотность излучения. Реликтовое излучение наблюдается на волнах от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Оно практически изотропно.

В 1964 году Пиблс взялся за определение температуры реликтового излучения – эквивалентной атмосферным помехам, которые будет определять антенна, изготовленная Роллом и Уилкинсоном. А те двое стали усовершенствовать радиометр, изобретенный Дикке во время Второй мировой войны, когда он в Массачусетском технологическом институте изготовил прибор для определения чувствительности радаров.

Тем временем Арно Пензиас и Роберт Вильсон занялись изучением радиоволн от звезд не в центре Млечного Пути, как делали все до них и куда смотрело большинство астрономов, а в другом направлении, на его крае. Практически одновременно Пиблс и Пензиас с Вильсоном пришли к похожим выводам с помощью своих антенн. Хотя полностью данные наблюдений и расчетов не совпали, они были близки.

Две группы – четверо из Принстонского университета и двое из Bell Labs (Пензиас и Вильсон) – обсудили свои находки и решили публиковать две статьи в Astrophysical Journal (Астрофизическом журнале). Но до того как вышли их статьи, репортер «Нью-Йорк Таймс», имевший контакты в «Астрофизическом журнале», опубликовал ставшую весьма популярной статью «Сигналы подразумевают Вселенную Большого взрыва».

Первооткрыватели реликтового излучения, американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Год открытия – 1964.

В конце концов данные по температуре реликтового излучения – 3К – совпали. Добавлю, что занимались этим не только упомянутые ученые. Еще в 1948 году Ральф Альфер и Роберт Херман рассчитали, что остаточное (реликтовое) излучение от ранее горячей Вселенной в настоящее время составляет около 5К, то есть на 5 градусов выше абсолютного нуля, но астрономы того времени заявили, что определить и подтвердить их расчеты с имеющейся на тот момент техникой невозможно. В 1964 году похожие расчеты сделал Фред Хойл, сторонник теории стационарной Вселенной и отец термина «Большой взрыв» совместно с британским астрономом Роджером Тайлером. На цифре 3К ученые сошлись в декабре 1965 года.

Своим существованием реликтовое излучение подтверждает теорию Большого взрыва и модель горячей расширяющейся Вселенной. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Доказательства позволили сделать выбор между теорией Большого взрыва и стационарной Вселенной, ведь до 1964 года обе теории основывались не на наблюдениях и математических расчетах, а больше на рассуждениях и предположениях. Но неужели когда-нибудь наша Вселенная остынет окончательно?