Таємнича невідповідність між теорією та спостереженнями «музики» космічного мікрохвильового фону нагадує ситуацію, коли інструменти у великому оркестрі грають невлад. Поки що незрозуміло, чи помилкові наші спостереження, чи Всесвіт складніший, ніж ми думали.
Уявіть фантастично великий оркестр, який грає вже 14 млрд років. Спочатку вам здається, що музика звучить гармонійно. Але прислухайтеся: щось у ній не так. Виявляється, туба і контрабас виводять різні мелодії! Подібний дисонанс «почули» вчені в музиці космосу, яку виконує мікрохвильове фонове випромінювання, що його зазвичай називають реліктовим; воно розповідає про ранню історію Всесвіту.
Невдовзі після Великого вибуху внаслідок дії законів квантової механіки в густині енергії Всесвіту виникли хаотичні флуктуації. Вони збільшувалися в розмірах і зрештою стали сучасними скупченнями галактик. Флуктуації нагадували звукові хвилі, і цей «звук», що гудів у космосі 14 млрд років тому, закарбувався в реліктовому випромінюванні. Тепер на небі ми бачимо карту цього «звуку» у вигляді варіацій температури реліктового випромінювання.
ОГЛЯД: НЕБЕСНИЙ ДИСОНАНС
- Теорія інфляційної моделі з λ-членом і холодною темною матерією пояснює багато властивостей Всесвіту. Але під час аналізу деяких спостережних даних у ній виявилися серйозні проблеми.
- Під час вивчення космічного мікрохвильового фону виникли питання. Просторові флуктуації цього реліктового випромінювання астрономи розділили на окремі моди, подібно до інструментів в оркестрі. У межах цієї аналогії виявилося, що в «небесному оркестрі» контрабас і туба грають невлад, та ще й надто тихо.
- Дані спостережень можуть бути спотворені, наприклад, через присутність газу поблизу меж Сонячної системи. Але навіть у цьому разі деякі висновки теорії інфляції ставляться під сумнів.
Як і звукові хвилі, флуктуації реліктового випромінювання можна проаналізувати, розклавши їх на окремі гармоніки, тобто представивши набором чистих тонів різної частоти, чимось на кшталт різних інструментів в оркестрі. Виявляється, деякі з цих гармонік звучать тихіше, ніж повинні, та до того ж виводять неправильну мелодію. Або надзвичайно успішна в усіх інших питаннях стандартна космологічна модель тут дає збій, або щось не так із даними спостережень.
Останніми десятиліттями вчені розвивали космологічну модель, яка дає змогу зрозуміти багато спостережуваних властивостей Всесвіту. Зараз її вважають стандартною: вона правильно визначає вміст найлегших елементів (ізотопів водню, гелію та літію) і дає оцінку віку Всесвіту (14 млрд років), що узгоджується з оцінками віку найстаріших зір. Модель передбачає існування і високу однорідність реліктового випромінювання та пояснює, як і чому виникло багато інших властивостей Всесвіту.
У назві моделі — $I\Lambda CDM$ (Inflationary Lambda Cold Dark Matter model, інфляційна модель з $\Lambda$-членом і холодною темною матерією) — відображено три її найважливіші компоненти: процес інфляції, космологічну сталу, позначену грецькою літерою лямбда ($\Lambda$), і невидимі частинки, відомі як холодна темна матерія (її часто називають прихованою масою).
Згідно з моделлю $I\Lambda CDM$, інфляція була періодом надзвичайно прискореного зростання, який почався в перші ж частки секунди після народження Всесвіту і закінчився спалахом випромінювання, завдяки якому Всесвіт настільки великий, саме такою мірою заповнений речовиною і такий близький до однорідного стану. Модель пояснює також, чому Всесвіт не цілком однорідний: тому що випадкові квантові флуктуації густини енергії були роздуті до розмірів скупчень галактик і навіть більше.
Модель передбачає, що після закінчення інфляції сила гравітації спричинила стискання областей підвищеної густини, що привело до формування галактик та їхніх скупчень. Процесу сприяла холодна темна матерія, яка утворила величезні хмари, помітити які можна лише за їхнім гравітаційним впливом. Космологічна стала ($\Lambda$) — дивна форма антигравітації, відповідальна за нинішнє прискорення космологічного розширення (див. «Космічна загадка», «У світі науки», №12, 2004 р.).
Давнє світло
Модель успішно пояснює багато властивостей Всесвіту, але коли астрономи виміряли флуктуації температури реліктового випромінювання, виникли проблеми. Для космологів реліктове випромінювання — найважливіший інструмент дослідження найбільш великомасштабних характеристик Всесвіту, найдавніше світло, що виникло лише через кілька сотень тисяч років після Великого вибуху, коли швидке розширення й охолодження Всесвіту привело до перетворення щільної непрозорої плазми на прозорий газ. Пройшовши шлях за 14 млрд років, реліктове випромінювання показує нам сьогодні картину раннього Всесвіту. Прийшовши з найдальших рубежів, воно являє собою знімок Всесвіту в його найбільшому масштабі.
Мікрохвильове зображення неба отримано супутником WMAP у K-смузі (23 ГГц, угорі), W-смузі (94 ГГц, унизу) і в трьох інших смугах спектра (не показані). Повну небесну сферу в проєкції представлено еліпсом, як географічну карту. Горизонтальна червона область — випромінювання Чумацького Шляху. Таке випромінювання переднього плану змінюється при переході від однієї смуги спектра до іншої, що дає змогу відокремлювати його від фонового реліктового випромінювання.
У 1965 р. Арно Пензіас (Arno Penzias) і Роберт Вільсон (Robert Wilson) з Bell Laboratories першими виявили реліктове випромінювання та виміряли його температуру. Сьогодні вчені займаються виявленням флуктуацій, тобто відмінностей температури (анізотропії) цього випромінювання, що надходить із різних ділянок неба. Саме вони відображають флуктуації густини в ранньому Всесвіті.
У 1992 р. супутник COBE (Cosmic Background Explorer) уперше виміряв ці флуктуації; пізніше супутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) допоміг скласти карти з високою роздільною здатністю.
ГАРМОНІКИ НЕБЕСНОЇ МУЗИКИ
Коли вчені кажуть, що деякі інструменти в космічному мікрохвильовому фоні грають невлад, то що вони мають на увазі і як вони про це дізналися?
Дослідники реліктового випромінювання вивчають флуктуації температури, виміряної в усіх напрямках неба. Ці флуктуації вони аналізують за допомогою математичних функцій, які називають сферичними гармоніками. Уявіть скрипкову струну, яка може видавати нескінченне розмаїття звуків, навіть якщо не вкорочувати її, притискаючи пальцем. Ці звуки (ноти) можна позначити числом n за кількістю точок (вузлів) на струні, за винятком її кінців, які залишаються нерухомими під час звучання.
Найнижчу ноту, яка не має вузлів (n=0), називають основним тоном, або основною модою. При цьому всі точки струни, крім її кінців, рухаються в унісон (рис. унизу).
Нота з одним вузлом (n=1) посередині — перший гармонічний обертон, або перша гармоніка. У цьому разі половина струни рухається в одному напрямку, а друга половина — в іншому (рис. унизу). Якщо ви заспіваєте «до-ре-мі-фа-соль-ля-сі-до», то останнє «до» буде першою гармонікою основного тону першого «до». Нота з двома рівновіддаленими вузлами — друга гармоніка, і так далі.
Будь-яке складне коливання струни можна розкласти на гармонічні складові. Наприклад, зображене нижче коливання можна розглядати як суму фундаментальної моди (n=0) і четвертої гармоніки (n=4). Зверніть увагу, що в цій сумі четверта гармоніка має меншу амплітуду (її хвилі дрібніші), ніж фундаментальний тон. За аналогією з оркестром інструмент №4 грає тихіше, ніж інструмент №0. Зазвичай що складніше коливання струни, то на більшу кількість гармонік його доводиться розкладати.
Сферичні гармоніки позначаються YLM і являють собою моди коливання сферичного «барабана». Оскільки поверхня сфери двовимірна, для опису мод нам знадобляться два числа — $l$ і $m$. Для кожного значення $l$ (які можуть бути 0, 1, 2...) значення m можуть бути будь-яким цілим числом від $-l$ до $l$. Комбінація всіх нот з однаковим значенням $l$ і різними значеннями m, кожна зі своєю власною амплітудою (в акустичних термінах — гучністю), називається мультиполем.
Неможливо так само просто зобразити сферичні гармоніки, як ми малювали скрипкову струну. Натомість ми зобразимо карту сфери, забарвлену відповідно до того, чи має певна ділянка температуру вищу або нижчу за середню. (Форма цієї карти являє собою розгортку кулі на площині, як у географічної карти Землі.) Монополь, у якого $l=0$, являє собою сферичний барабан, усі точки якого пульсують в унісон (рис. нижче).
У диполя ($l=1$) половина поверхні рухається назовні (червоний), а половина — усередину (синій). Можливі три дипольні моди ($m = -1,\, 0,\, 1$) у трьох перпендикулярних напрямках простору (ліворуч — праворуч, угору — вниз, від нас — до нас).
Ділянки зеленого кольору мають середню температуру; ці вузлові лінії подібні до вузлів скрипкової струни. Із збільшенням l зростає і кількість вузлових ліній.
Квадруполь ($l=2$) має п’ять мод, кожна з яких має складнішу картину коливань або зміни температури на сфері (рис. нижче).
Будь-яку картину варіацій температури на сферичній поверхні ми можемо подати у вигляді суми сферичних гармонік, так само, як будь-яке коливання скрипкової струни можна подати у вигляді суми гармонічних коливань. У такій сумі кожна сферична гармоніка має свою амплітуду, яка вказує на внесок цієї гармоніки в загальну картину, тобто на те, наскільки гучно грає цей «інструмент космічного оркестру».
За допомогою моделей типу $I\Lambda CDM$ неможливо передбачити точну картину флуктуацій, але можна розрахувати їхні статистичні властивості, такі як середній розмір і діапазон розмірів. Деякі з цих характеристик дає не лише модель $I\Lambda CDM$, а й інші найпростіші інфляційні моделі, розроблені фізиками в попередні роки як можлива альтернатива. Оскільки такі властивості прогнозуються різними інфляційними моделями, їх вважають «загальними» передбаченнями інфляції. Якщо теорія інфляції в принципі правильна, то вони мають виконуватися незалежно від тонких деталей конкретної моделі. Якби одне з таких передбачень не справдилося, теорії інфляції було б завдано серйозного удару. Перевірити це можна, вимірюючи аномалії реліктового випромінювання.
Передбачення теорії найкраще видно при розкладанні температурних флуктуацій у спектр за модами, які називають сферичними гармоніками; це нагадує розкладання музичного звуку на окремі ноти (див. врізку «ГАРМОНІКИ НЕБЕСНОЇ МУЗИКИ»). Поки коливання густини не зросли й не перетворилися на галактики, їх можна розглядати як звукові хвилі у Всесвіті. Якщо розкладання на окремі моди здається вам загадковим, то згадайте аналогію з оркестром: кожна мода — окремий інструмент, а вся температурна карта небесної сфери — повне звучання цілого оркестру.
Перше із загальних передбачень теорії інфляції щодо флуктуацій реліктового випромінювання — їхня статистична ізотропія. Іншими словами, у розподілі флуктуацій по небу не має проявлятися привілейованого напрямку — ні раніше відомого (наприклад, напрямку земної осі), ні визначеного самим випромінюванням.
Теорія інфляції передбачає також, що в діапазоні можливих значень амплітуда кожної моди (за нашою аналогією — гучність кожного інструмента в оркестрі) має бути випадковою. Зокрема, розподіл імовірностей має дзвоноподібну форму, яку називають гауссіаною. Певна середня амплітуда в цьому разі найімовірніша — це пік кривої. Але є й відмінні від неї амплітуди, щоправда, що більша відмінність, то менша її ймовірність. Кожна мода має свій гауссів розподіл, ширина якого (тобто ширина основи дзвона) вказує, яка потужність (скільки звуку) припадає на цю моду.
Теорія інфляції стверджує, що амплітуди всіх мод повинні мати гауссів розподіл з майже однаковою шириною, оскільки інфляція, що призводить до експоненційного розширення Всесвіту, подібно до космічної праски, розгладжує всі сліди будь-яких характерних масштабів. Підсумковий спектр потужності називають плоским через відсутність у ньому будь-яких особливостей. Істотні відхилення від плоского спектра мають бути лише в тих мод, які виникли або на самому початку, або наприкінці інфляції.
Втрачені ноти
Сферичні гармоніки являють собою різні типи коливання сфери. Якщо ми придивимося до них, то помітимо, де спостереження суперечать моделі. Сферичними гармоніками зручно користуватися, оскільки вся наша інформація про далекі ділянки Всесвіту проєктується на єдину сферу — на небо. Найнижчий тон ($l=0$) — монополь, коли сфера пульсує як ціле. Монополь реліктового випромінювання — це його середня температура, лише на 2,725 K вища за абсолютний нуль (див. врізку «ГАРМОНІКИ НЕБЕСНОЇ МУЗИКИ»).
Наступна за висотою нота ($l=1$) — диполь, у якого температура вища в одній півкулі й нижча — в іншій. Диполь виникає через ефект Доплера, оскільки Сонячна система рухається відносно реліктового випромінювання; у тому напрямку, куди рухається Сонце, небо виглядає трохи теплішим.
У загальному випадку коливання для кожного значення $l(0, 1, 2...)$ називають мультиполем порядку $l$. Будь-яку намальовану на сфері карту, чи то температура реліктового випромінювання, чи топографія Землі, можна розкласти на окремі мультиполі. На нашій карті температурних варіацій мультиполі нижчих порядків представляють великі ділянки — «океани» та «континенти». Мультиполі вищих порядків послідовно представляють ділянки дедалі меншого розміру — гори та долини, пагорби та яри, які видно на тлі більших структур. Уся складна топографія — сума окремих мультиполів.
Під час аналізу карт реліктового випромінювання кожен мультиполь $l$ має амплітуду $C_l$. Образно кажучи, це середня висота і глибина гір та долин, що відповідають цьому мультиполю, або середня гучність цього інструмента в оркестрі. Повний набір амплітуд для всіх можливих значень $l$ називається кутовим спектром потужності. Космологи зображують його у вигляді графіка, який починається з $C_2$, оскільки справжня інформація про флуктуації реліктового випромінювання починається з $l=2$. Ілюстрація «ЗАГАДКИ ВІД WMAP» показує кутовий спектр потужності, виміряний супутником WMAP, а також прогноз моделі $I\Lambda CDM$, який найближче відповідає цим спостереженням. Виміряні амплітуди двох мультиполів з найменшими значеннями $l$, $C_2$ і $C_3$, які називають квадруполем і октуполем, значно нижчі за модельні. Дефіцит потужності в мультиполів з малими $l$ уперше відзначила команда COBE, а нещодавно підтвердили й фахівці WMAP. У термінах топографії: найбільші континенти й океани виявилися загадково низькими та мілкими. У термінах музики: ми ледве чуємо контрабас і тубу.
Ще сильніше цей ефект проявляється, якщо замість амплітуди сферичних функцій ($C_l$) розглядати так звану кутову кореляційну функцію $C(\theta)$. Уявіть, що ви досліджуєте на небі дві точки, розділені кутом $\theta$, і порівнюєте, чи обидві вони гарячіші (або холодніші), чи одна з них гарячіша, а друга холодніша за середню температуру неба. Функція $C(\theta)$ указує середній для всіх можливих пар точок на небі, розділених кутом $\theta$, ступінь кореляції температурних відхилень. Спостереження показують, що $C(\theta)$ у нашому Всесвіті майже дорівнює нулю для кутів, більших приблизно за 60°; тобто флуктуації в напрямках, розділених більш ніж на 60°, ніяк не пов’язані. Це ще раз указує на те, що у Всесвіті, створеному інфляцією, низькі ноти відсутні.
Відсутність ширококутових кореляцій спочатку помітив COBE, а тепер підтвердив і WMAP. Малість $C(\theta)$ для великих кутів означає не лише те, що $C_2$ і $C_3$ невеликі, а й те, що відношення перших кількох амплітуд, принаймні аж до $C_4$, також є ненормальним. Слабкість спектра потужності за великих кутів разюче суперечить усім класичним моделям інфляції.
Тут можливі три розгадки. По-перше, незвичайний результат може виявитися простою статистичною випадковістю. Скажімо, невизначеність у даних може бути більшою, ніж її оцінюють, що зробило б результати спостережень менш достовірними. По-друге, кореляції могли виникнути під час обробки спостережень, якщо аналіз даних, отриманих WMAP, було проведено недостатньо ретельно. Нарешті, це може свідчити про недоліки в теорії.
Деякі автори схиляються до першої можливості. Ще в 2003 р. Джордж Ефстатіу (George Efstathiou) з Кембриджського університету засумнівався в точності статистичних методів, використаних для виділення квадрупольної складової, і заявив, що опубліковані результати можуть бути не такими вже й надійними. Відтоді багато інших фахівців критично розглядали методику, використану командою WMAP для визначення $C_l$ за малих $l$. Вони дійшли висновку, що врахування ефектів, спричинених власним випромінюванням нашої Галактики, було не таким надійним, як спочатку вважали дослідники.
Загадкова орієнтація
Щоб з’ясувати, чи справді теорія розходиться зі спостереженнями, кілька груп учених вирішили використати не лише інформацію про величини $C_l$, що представляють амплітуди відповідних мод, а й залучити дані про орієнтацію кожного мультиполя. Наприклад, диполь указує напрямок від «прохолодної» до «теплої» половини неба. Мультиполі вищих порядків містять ще більше інформації про напрямки. Якщо розбіжність в амплітудах справді спричинена лише грою випадку, тоді інформація про напрямки, отримана з тих самих даних, має відповідати прогнозу теорії. Однак виявилося, що це не так. У 2003 р. Анжеліка де Олівейра-Коста (Angelica de Oliveira-Costa) і Макс Теґмарк (Max Tegmark) з Пенсильванського університету, Матіас Залдарріага (Matias Zaldarriaga) з Гарвардського університету та Ендрю Гамільтон (Andrew Hamilton) з Колорадського університету в Боулдері помітили, що напрямки головних осей квадрупольної та октупольної мод дуже близькі один до одного, а самі моди мають дефіцит амплітуди. А втім, більшість інфляційних моделей передбачає, що між цими модами не повинно бути нічого спільного.
У тому ж 2003 р. Ганс Еріксен (Hans Kristian Eriksen) і його колеги з Норвезького університету в Осло виявили збіг напрямків. Вони розділили небо на всі можливі пари півкуль і обчислили відносну амплітуду флуктуацій на протилежних половинах неба. Результат роботи цілком суперечив стандартній інфляційній космології: багато пар півкуль дуже сильно відрізнялися за спектром потужності. Але найнесподіванішим виявилося те, що пара півкуль, які відрізнялися найбільше, була розділена точно по екліптиці — площині, у якій лежить орбіта Землі навколо Сонця.
Це стало першою вказівкою на те, що флуктуації реліктового випромінювання, які вважалися переважно космологічними, хоч і з деякою домішкою неоднорідностей галактичного випромінювання, насправді істотно «забруднені» випромінюванням Сонячної системи.
Тим часом один із нас (Старкман) разом із Креґом Копі (Craig Copi) і Драганом Хатерером (Dragan Huterer) з Університету Західного резервного району в Клівленді, шт. Огайо, розробив новий метод представлення флуктуацій реліктового випромінювання у векторній формі. Це дало нам (Шварц, Старкман, Копі та Хатерер) змогу перевірити прогноз про те, що флуктуації реліктового випромінювання не повинні бути пов’язані з особливими напрямками у Всесвіті.
У 2004 р. ми знайшли також несподівані кореляції, які підтвердили результати Олівейри-Кости та її колег. Деякі з векторів виявилися розташованими майже в площині екліптики й несподівано близько до точок рівнодення — тих двох точок, де проєкція земного екватора на небесну сферу перетинається з екліптикою. Ті самі вектори виявилися орієнтованими підозріло близько до напрямку руху Сонця у Всесвіті. Інший вектор лежить дуже близько до площини Місцевого надскупчення галактик, яку називають надгалактичною площиною.
Кожен із цих збігів має ймовірність випадкової реалізації не більш як 1/300. І, попри те що вони не повністю незалежні один від одного, ймовірність їхньої спільної випадкової реалізації завідомо менша за 1/10000 (без урахування дивних властивостей мультиплетів низького порядку).
Деякі дослідники висловили занепокоєння тим, що всі результати було отримано за повними картами «реліктового» неба. Здавалося б, їх використання дає переваги, однак уздовж смуги Чумацького Шляху дані про температуру реліктового випромінювання можуть бути ненадійними. Щоб визначити температуру реліктового випромінювання в цій смузі неба, потрібно спочатку відняти внесок у випромінювання, який робить наша Галактика. А методи, використані командою WMAP та іншими групами, можливо, недостатньо надійні. Справді, команда WMAP застерегла інших дослідників від використання її повної карти неба; сама вона вибрала для аналізу лише ділянки, що лежать поза Чумацьким Шляхом. Коли Юрош Сельяк (Uros Seljak) із Принстона та Анже Шлозар (Anze Slosar) з Люблянського університету виключили з аналізу смугу Чумацького Шляху, вони виявили, що в деяких діапазонах хвиль імовірність збігу деяких напрямків зменшилася, а в інших зросла. Наша подальша робота показала, що спостережувані кореляції не пояснюються лише впливом Галактики. І справді, було б дивно, якби вплив Чумацького Шляху пояснював орієнтацію реліктового випромінювання в площині Сонячної системи.
ЗАГАДКИ ВІД WMAP
Супутник WMAP передає дані, що містять три загадки
1. КУТОВИЙ СПЕКТР ПОТУЖНОСТІ
Більшість вимірювань WMAP чудово узгоджуються з прогнозом інфляційної моделі з лямбда-членом і холодною темною матерією. Але дві перші точки спостережень (для квадруполя й октуполя) мають аномально низьку потужність.
2. КУТОВА КОРЕЛЯЦІЙНА ФУНКЦІЯ
Функція пов’язує дані від точок на небі, розділених певним кутом. Криві даних COBE і WMAP мали б відповідати теоретичній кривій. Натомість вони практично дорівнюють нулю за кутових відстаней понад 600.
3. ОРІЄНТАЦІЯ ПЕРШИХ ДВОХ МУЛЬТИПОЛІВ
Квадруполь (синій) і октуполь (червоний) мають бути орієнтовані випадково, але натомість вони тяжіють до точок рівнодення (порожні кружки) і до напрямку руху Сонячної системи, визначеного віссю диполя (зелені точки). До того ж їхні осі лежать поблизу площини екліптики (фіолетова лінія). А дві з них перебувають у площині Надгалактики, що об’єднує нашу Галактику, сусідні з нею зоряні системи та їхні скупчення (помаранчева лінія). Імовірність випадкового збігу цих напрямків — менш як 1/10000
Зв’язок між мікрохвильовим фоном і Сонячною системою стане ще очевиднішим, якщо ми розглянемо кутовий спектр потужності. Крім надто низької амплітуди за малих $l$, помітні ще три точки ($l=22,~ l=40 ~ l=210$), у яких спостережуваний спектр потужності значно відрізняється від передбаченого найкращою відповідною $\Lambda CDM$-моделлю. Попри те що зазначені відмінності були широко відомі, від уваги більшості космологів вислизнуло те, що три відхилення також корелюють з екліптикою.
Пояснити кореляцію між низькими модами реліктового випромінювання та структурою Сонячної системи можна було б одним із двох способів. Перший — помилка в конструкції приладів WMAP або неправильний аналіз отриманих даних (так звана систематична помилка). Однак команда WMAP була надзвичайно обережною та провела безліч перехресних перевірок своїх приладів. Тому важко уявити, як могли б виникнути хибні кореляції. Крім того, ми знайшли подібні кореляції і на картах, отриманих супутником COBE, який використовував цілком інші прилади й методи аналізу.
Імовірніше пояснення полягає в тому, що існує невраховане джерело або поглинач мікрохвильових фотонів, пов’язаний із Сонячною системою, наприклад, невідома пилова хмара на її периферії. Але як сталося, що це джерело або поглинач випромінювання виявилося помітним для приладів, які вивчають реліктове випромінювання, але не було виявлене іншими астрономічними приладами в інших діапазонах хвиль? Ми сподіваємося, що нам вдасться досить детально вивчити джерело переднього плану, щоб звільнити від його впливу дані про реліктове випромінювання.
Повернення до перегляду теорії?
На перший погляд, відкриття локального спотворення даних про реліктове випромінювання могло б розв’язати загадку слабкості його великомасштабних флуктуацій. Але насправді це лише ускладнює проблему. Коли ми віднімемо внесок у випромінювання, пов’язаний із гіпотетичними об’єктами переднього плану, космологічний внесок, що залишиться, імовірно, виявиться ще меншим, ніж вважалося раніше. (Будь-який інший висновок вимагав би випадкової, але точної взаємної компенсації між космологічним внеском і нашим припущеним джерелом переднього плану.) Тоді ще складніше було б стверджувати, що відсутність у спектрі потужності мод із малими $l$ — лише гра випадку. Схоже, теорія інфляції зайшла в глухий кут.
Статистично надійний висновок, що на великих масштабах флуктуації реліктового випромінювання не такі сильні, як очікувалося, може змусити нас знову переглянути уявлення про ранній Всесвіт. Альтернативи класичній теорії інфляції не такі вже й привабливі: можна було б так підправити нинішню модель інфляції, щоб вона не суперечила спостережуваному на великих масштабах спектру потужності. Але такі «латки» руйнують красу початкової моделі, подібно до того, як додаткові епіцикли, які вводили в теорію Птолемея для узгодження видимих рухів планет із передбаченням геоцентричної моделі, зрештою вбили її.
Космос має складну топологію. Якщо Всесвіт скінченний і обгорнутий навколо себе, подібно до кренделя, то коливальні моди в ньому мають бути зовсім іншими. Ми могли б «на слух» розпізнати форму Всесвіту, як ми відрізняємо, скажімо, дзвін церковного дзвона від завивання вітру. При цьому нижні тони — великомасштабні флуктуації — найчутливіші до форми (і розміру) Всесвіту. Наш Всесвіт міг би мати складну топологію, але бути роздутим інфляцією настільки сильно, що всі особливості топології «втекли» за горизонт і стали майже нерозрізненними.
Нові дані від супутника WMAP (не лише про флуктуації температури неба, а й про поляризацію його випромінювання) допоможуть нам розрізнити джерела переднього плану. У 2007 р. Європейське космічне агентство запустить обсерваторію «Планк», яка вимірюватиме реліктове випромінювання в більшій кількості частотних діапазонів і з вищою кутовою роздільною здатністю, ніж WMAP. Хоча висока кутова роздільна здатність не допоможе розгадати загадку низькочастотних мод, спостереження неба в додаткових мікрохвильових «кольорах» дасть нам змогу набагато точніше виправити систематичні похибки та врахувати об’єкти переднього плану. Космологічні дослідження продовжують підносити сюрпризи. Ми чекаємо на нові відкриття.
ПРО АВТОРІВ:
Гленн Старкман (Glenn D. Starkman) і Домінік Шварц (Dominik J. Schwarz) з 2003 р. працювали в CERN. Старкман — професор Центру освіти та досліджень з космології та астрофізики факультетів фізики й астрономії Університету Західного резервного району. Шварц зайнявся космологією після закінчення Віденського технологічного університету. Викладає в університеті м. Білефельд (Німеччина). Його основний науковий інтерес — речовина Всесвіту в ранній період еволюції.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):