Походження Всесвіту

Космологи продовжують наближатися до остаточного розуміння процесів, які створили та сформували Всесвіт.

Всесвіт настільки великий у просторі й часі, що протягом майже всієї історії людства він залишався недосяжним як для наших приладів, так і для нашого розуму. Але все змінилося у XX ст., коли з’явилися нові ідеї — від загальної теорії відносності Ейнштейна до сучасних теорій елементарних частинок. Успіху було досягнуто також завдяки потужним приладам — від 100- і 200-дюймових рефлекторів, створених Джорджем Еллері Гейлом (George Ellery Hale), які відкрили нам галактики за межами Чумацького Шляху, до космічного телескопа «Габбл», який переніс нас в епоху народження галактик. За останні 20 років прогрес прискорився. Стало зрозуміло, що темна матерія складається не зі звичайних атомів, що існує темна енергія. Народилися сміливі ідеї про космічну інфляцію та множинність всесвітів.

Сто років тому Всесвіт був простішим: вічний і незмінний, він складався з однієї галактики, що містила кілька мільйонів видимих зір. Сучасна картина набагато складніша і значно багатша. Космос виник 13,7 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. За частку секунди після початку Всесвіт був гарячою безформною сумішшю елементарних частинок — кварків і лептонів. У міру розширення й охолодження крок за кроком виникали структури: нейтрони й протони, атомні ядра, атоми, зорі, галактики, скупчення галактик і, нарешті, надскупчення. У спостережуваній частині Всесвіту зараз міститься 100 млрд галактик, у кожній з них близько 100 млрд зір і, ймовірно, стільки ж планет. Самі галактики від розширення утримує гравітація загадкової темної матерії. А Всесвіт продовжує розширюватися і навіть робить це з прискоренням під дією темної енергії — ще загадковішої форми енергії, чия гравітаційна сила не притягує, а відштовхує.

Головна тема нашої розповіді про Всесвіт — це еволюція від примітивного кваркового «супу» до дедалі складніших галактик, зір, планет і життя, які ми спостерігаємо сьогодні. Ці структури з’являлися одна за одною протягом мільярдів років, підкоряючись основним законам фізики. Подорожуючи в минуле, до епохи зародження, космологи спочатку просуваються крізь детально вивчену історію Всесвіту назад, до першої мікросекунди, потім до $10^{–34}$ с від початку (про цей час є чіткі уявлення, але поки що немає їхнього переконливого підтвердження) і, нарешті, до самого моменту народження (про який поки що існують лише здогади). Хоча ми ще не спроможні до кінця зрозуміти, як народився Всесвіт, у нас уже є вражаючі гіпотези, як-от поняття про множинний всесвіт, що охоплює нескінченну кількість не пов’язаних між собою субвсесвітів.

Всесвіт, що розширюється

У 1924 р. за допомогою 100-дюймового телескопа «Гукер» обсерваторії Маунт-Вілсон Едвін Габбл виявив, що розмиті туманності, які залишалися загадковими протягом кількох століть, — це такі самі галактики, як наша. Тим самим Габбл збільшив наше уявлення про Всесвіт у 100 млрд разів! А за кілька років він довів, що галактики віддаляються одна від одної, підкоряючись математичній закономірності, відомій тепер як закон Габбла: що далі галактика, то швидше вона рухається. Саме з цього закону випливає, що Великий вибух стався 13,7 млрд років тому.

КОСМІЧНЕ РОЗШИРЕННЯ
Еволюція Всесвіту відбувається внаслідок розширення простору. Оскільки простір розтягується, як оболонка повітряної кульки, галактики віддаляються одна від одної, а світлові хвилі подовжуються (червоніють).

У межах загальної теорії відносності закон Габбла тлумачиться так: сам простір розширюється, а галактики переміщуються разом із ним (рис. угорі). Світло теж розтягується, зазнаючи червоного зміщення, а отже, втрачаючи енергію, тому Всесвіт під час розширення охолоджується. Космічне розширення допомагає зрозуміти, як сформувався сучасний Всесвіт. Якщо подумки вирушити в минуле, то Всесвіт ставатиме дедалі густішим, гарячішим, незвичнішим і простішим. Наближаючись до самого початку, ми стикаємося з найглибиннішими механізмами природи, використовуючи прискорювач потужніший за будь-який із побудованих на Землі — сам Великий вибух.

Вдивляючись у простір через телескоп, астрономи буквально потрапляють у минуле — і що більший телескоп, то глибше проникає їхній погляд. Світло, що надходить від далеких галактик, показує нам давні епохи, а його червоне зміщення показує, наскільки розширився Всесвіт за минулий час. Рекордне червоне зміщення, яке спостерігають зараз, становить близько восьми, отже, це світло було випромінене, коли розмір Всесвіту був у дев’ять разів меншим за нинішній, а вік становив лише кілька сотень мільйонів років. Такі прилади, як космічний телескоп «Габбл» і десятиметрові телескопи «Кек» на Мауна-Кеа, легко переносять нас в епоху формування галактик, подібних до нашої, — через кілька мільярдів років після Великого вибуху. Світло з ранніших епох настільки сильно зміщене в червону частину спектра, що астрономи змушені приймати його в інфрачервоному та радіодіапазонах. Телескопи, які будують, такі як інфрачервоний космічний телескоп «Джеймс Вебб» діаметром 6,5 м і Великий атакамський міліметровий комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) — мережа з 64 радіотелескопів на півночі Чилі, — перенесуть нас у минуле, до епохи народження найперших зір і галактик.

Комп’ютерне моделювання показує, що ці зорі й галактики з’явилися, коли вік Всесвіту становив близько 100 млн років. Перед цим Всесвіт пройшов через період, який називають темною ерою, коли він був чорним як смола. Простір заповнювала безформна маса з п’яти частин темної матерії та однієї частини водню з гелієм, яка розріджувалася в міру розширення Всесвіту. Речовина була дещо неоднорідною за густиною, а гравітація діяла як підсилювач цих неоднорідностей: густіші області розширювалися повільніше, ніж менш густі. До віку 100 млн років найгустіші області не тільки сповільнили своє розширення, а й почали стискатися. Кожна з таких зон містила близько 1 млн сонячних мас речовини; саме вони й стали першими гравітаційно зв’язаними об’єктами в космосі.

Основну частину їхньої маси становила темна матерія, не здатна, відповідно до своєї назви, випромінювати або поглинати світло. Тому вона утворювала дуже протяжні хмари. З іншого боку, водень і гелій, випромінюючи світло, втрачали енергію та стискалися до центру кожної хмари. Зрештою вони стискалися настільки, що перетворювалися на зорі. Ці перші об’єкти були значно масивнішими за сучасні — сотні мас Сонця. Проживши дуже коротке життя, вони вибухали, викидаючи в простір перші важкі елементи. Через кілька мільярдів років ці хмари з масами в мільйони сонячних під дією гравітації згрупувалися в перші галактики.

Випромінювання від найперших водневих хмар, яке зазнало сильного червоного зміщення через розширення, можна було б зареєструвати за допомогою величезних комплексів радіоантен із загальною приймальною площею близько квадратного кілометра. Коли ці радіотелескопи буде створено, стане відомо, як перше покоління зір і галактик іонізувало водень і тим самим завершило темну еру (див.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007).

Слабкий відблиск гарячого початку

За темною ерою помітний відблиск гарячого Великого вибуху при червоному зміщенні 1100. Це спочатку видиме (червоно-оранжеве) випромінювання через червоне зміщення стало навіть не інфрачервоним, а мікрохвильовим. Зазираючи в ту епоху, ми бачимо лише стіну мікрохвильового випромінювання, що заповнює все небо, — космічне мікрохвильове фонове випромінювання, відкрите в 1964 р. Арно Пензіасом (Arno Penzias) і Робертом Вілсоном (Robert Wilson). Це слабкий відблиск Всесвіту, який перебував у немовлячому віці 380 тис. років, в епоху формування атомів. До цього він був майже однорідною сумішшю атомних ядер, електронів і фотонів. Коли Всесвіт охолов до температури близько 3000 К, ядра та електрони почали об’єднуватися в атоми. Фотони перестали розсіюватися на електронах і почали вільно рухатися крізь простір, показуючи, яким був Всесвіт задовго до народження зір і галактик.

У 1992 р. супутник NASA «Дослідник фонового випромінювання» (Cosmic Background Explorer, COBE) виявив, що інтенсивність цього випромінювання дещо змінюється — приблизно на 0,001%, вказуючи на слабку неоднорідність у розподілі речовини. Ступінь первинної неоднорідності виявився достатнім, щоб малі ущільнення стали «зародками» майбутніх галактик та їхніх скупчень, які згодом виросли під дією гравітації. Розподіл неоднорідностей фонового випромінювання по небу свідчить про важливі властивості Всесвіту: про його середню густину та склад, про найраніші етапи його еволюції. Ретельне вивчення цих неоднорідностей розповіло нам багато про Всесвіт.

КОСМІЧНЕ МІКРОХВИЛЬОВЕ ФОНОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ — це зображення Всесвіту в немовлячому віці 380 тис. років. Слабкі варіації інтенсивності цього випромінювання (позначені кольором) слугують космічним Розетським каменем, що дає ключ до загадок Всесвіту — його віку, густини, складу та геометрії.

НАДГЛИБОКЕ ПОЛЕ «ГАББЛА» — найчутливіше з будь-коли отриманих зображень космосу, що зафіксувало понад 1 тис. галактик на ранній стадії їхнього формування.

Просуваючись від цієї точки назад, до початку еволюції Всесвіту, ми побачимо, як первинна плазма стає дедалі гарячішою та густішою. До віку близько 100 тис. років густина енергії випромінювання була вищою, ніж густина енергії речовини, що й утримувало речовину від фрагментації. А в цей момент почалося гравітаційне скупчення всіх структур, які зараз спостерігають у Всесвіті. Ще ближче до початку, коли вік Всесвіту становив менш ніж одну секунду, атомних ядер не було, а були лише їхні складові — протони та нейтрони. Ядра виникли, коли Всесвіту виповнилося кілька секунд і температура та густина стали придатними для ядерних реакцій. У цьому нуклеосинтезі Великого вибуху народилися тільки легкі хімічні елементи: багато гелію (близько 25% за масою від усіх атомів Всесвіту) і трохи літію, дейтерію та гелію-3. Решта плазми (близько 75%) залишилася у формі протонів, які з часом стали атомами водню. Усі інші елементи Періодичної таблиці народилися через мільярди років у надрах зір і під час їхніх вибухів.

ВСЕСВІТ СКЛАДАЄТЬСЯ переважно з темної енергії та темної матерії; природа обох невідома. Звичайна речовина, з якої сформовані зорі, планети та міжзоряний газ, становить лише малу частку.

Теорія нуклеосинтезу точно передбачає вміст елементів та ізотопів, виміряний у найдавніших об’єктах Всесвіту — у найстаріших зорях і газових хмарах із великим червоним зміщенням. Вміст дейтерію, дуже чутливий до середньої густини атомів у Всесвіті, відіграє особливу роль: його виміряне значення показує, що звичайна речовина становить (4,5 ± 0,1)% від повної густини енергії. Решта — темна матерія та темна енергія. Це точно узгоджується з даними про склад, отриманими з аналізу фонового випромінювання. Така відповідність — величезне досягнення. Адже це два цілком різні вимірювання: перше ґрунтується на ядерній фізиці та стосується Всесвіту у віці 1 с, а друге — на атомній фізиці та властивостях Всесвіту у віці 380 тис. років. Їхня узгодженість — важлива перевірка не тільки для наших моделей еволюції космосу, а й для всієї сучасної фізики.

Відповіді в кварковому супі

До віку в одну мікросекунду не було навіть протонів і нейтронів; Всесвіт був схожий на суп із базових елементів природи: кварків, лептонів і переносників сил (фотонів, W- і Z-бозонів та глюонів). Ми впевнені, що цей «суп із кварками» справді існував, оскільки фізичні умови тієї епохи зараз відтворюють в експериментах на прискорювачах частинок (див.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006).

Вивчити ту епоху космологи сподіваються не за допомогою великих і зірких телескопів, а спираючись на глибокі ідеї фізики елементарних частинок. Створення Стандартної моделі фізики частинок 30 років тому привело до сміливих гіпотез, зокрема теорії струн, яка намагається об’єднати, здавалося б, не пов’язані між собою частинки та сили. Своєю чергою, ці нові ідеї знайшли застосування в космології, ставши такими самими важливими, як і первинна ідея гарячого Великого вибуху. Вони вказали на глибокий і несподіваний зв’язок між мікросвітом і великим Всесвітом. Можливо, невдовзі ми отримаємо відповіді на три ключові запитання: якою є природа темної матерії, у чому причина асиметрії між речовиною та антиречовиною і як виник неоднорідний кварковий суп.

Судячи з усього, темна матерія народилася в епоху первинного кваркового супу. Природа темної матерії поки що не зрозуміла, але її існування не викликає сумнівів. Наша Галактика та всі інші галактики, а також їхні скупчення утримуються тяжінням невидимої темної матерії. Чим би вона не була, вона має слабко взаємодіяти зі звичайною речовиною, інакше вона якось проявила б себе, окрім гравітації. Спроби описати єдиною теорією всі спостережувані в природі сили та частинки приводять до передбачення стабільних або довгоживучих частинок, з яких могла б складатися темна матерія. Ці частинки можуть бути реліктом епохи кваркового супу й дуже слабко взаємодіяти з атомами. Один із кандидатів — нейтраліно, найлегша з частинок нещодавно передбаченого класу масивних копій відомих частинок. Нейтраліно має мати масу від 100 до 1000 мас протона, тобто воно має народжуватися в експериментах на Великому адронному колайдері в CERN поблизу Женеви. До того ж, намагаючись упіймати ці частинки з космосу (або ж продукти їхньої взаємодії), фізики створили надчутливі детектори під землею, а також запускають їх на аеростатах і супутниках.

Другий кандидат — аксіон, надлегка частинка з масою приблизно в трильйон разів меншою, ніж у електрона. На її існування вказують тонкі відмінності в поведінці кварків, передбачені Стандартною моделлю. Спроби зареєструвати аксіон спираються на той факт, що в дуже сильному магнітному полі він може перетворитися на фотон. Як нейтраліно, так і аксіон мають важливу властивість: фізики називають ці частинки «холодними». Попри те що вони народжуються за дуже високої температури, рухаються вони повільно і тому легко групуються в галактики.

Імовірно, ще один секрет криється в епосі первинного кваркового супу: чому зараз Всесвіт містить тільки речовину і майже не містить антиречовини. Фізики вважають, що спочатку у Всесвіті їх було порівну, але в певний момент виник невеликий надлишок речовини — приблизно один зайвий кварк на кожен мільярд антикварків. Завдяки цьому дисбалансу під час анігіляції кварків з антикварками в процесі розширення й охолодження Всесвіту збереглося достатньо кварків. Понад 40 років тому експерименти на прискорювачах показали, що закони фізики влаштовані дещо на користь речовини; саме ця невелика перевага в процесі взаємодії частинок на дуже ранньому етапі призвела до виникнення надлишку кварків.

Імовірно, сам кварковий суп виник дуже рано — приблизно через $10^{-34}$ с після Великого вибуху, під час сплеску космічного розширення, відомого як інфляція. Причиною цього сплеску стала енергія нового поля, що нагадує електромагнітне поле і називається інфлатоном. Саме інфляція має пояснити такі фундаментальні властивості космосу, як його загальну однорідність і дрібні флуктуації густини, що породили галактики та інші структури у Всесвіті. Коли інфлатон розпався, він передав свою енергію кваркам та іншим частинкам, створивши таким чином тепло Великого вибуху і сам кварковий суп.

Теорія інфляції демонструє глибокий зв’язок між кварками й космосом: квантові флуктуації інфлатона, що існували на субатомному рівні, зросли до астрофізичних розмірів завдяки швидкому розширенню і стали зародком усіх структур, які спостерігаються сьогодні. Іншими словами, картина реліктового випромінювання на небі — це гігантське зображення субатомного світу. Спостережувані властивості цього випромінювання узгоджуються з теоретичним прогнозом, доводячи, що інфляція або щось подібне до неї справді відбулося на дуже ранньому етапі історії Всесвіту.

Народження Всесвіту

Коли космологи намагаються просунутися ще далі й зрозуміти самий початок Всесвіту, їхні судження стають менш упевненими. Протягом століття загальна теорія відносності Ейнштейна була основою вивчення еволюції Всесвіту. Але вона не узгоджується з іншим стовпом сучасної фізики — квантовою теорією, тому найважливіше завдання — примирити їх між собою. Тільки з такою об’єднаною теорією ми зможемо просунутися до найраніших моментів еволюції Всесвіту, до так званої планківської ери, коли вік Всесвіту становив $10^{–43}$ с і формувався сам простір-час.

Пробні варіанти єдиної теорії пропонують нам дивовижні картини найперших миттєвостей. Наприклад, теорія струн передбачає існування додаткових вимірів простору і, можливо, наявність інших всесвітів у цьому суперпросторі. Те, що ми називаємо Великим вибухом, могло бути зіткненням нашого Всесвіту з іншим (див.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Поєднання теорії струн із теорією інфляції приводить, можливо, до найграндіознішої ідеї — уявлення про множинний Всесвіт (multiverse), що складається з нескінченної кількості не пов’язаних між собою частин, у кожній з яких діють свої фізичні закони (див.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004).

Ідея множинного Всесвіту ще перебуває в розвитку і спрямована на розв’язання двох найважливіших теоретичних проблем. По-перше, з рівнянь, що описують інфляцію, випливає: якщо вона відбулася один раз, то процес повторюватиметься знову і знову, породжуючи нескінченну кількість «роздутих» областей. Вони такі великі, що не можуть обмінюватися сигналами між собою і тому не впливають одна на одну. По-друге, теорія струн вказує, що ці області мають різні фізичні параметри, такі як кількість просторових вимірів і сімейства стабільних частинок.

Концепція множинного Всесвіту дає змогу по-новому поглянути на дві найскладніші наукові проблеми: що було до Великого вибуху і чому закони фізики саме такі? (Питання Ейнштейна: «Чи був у Бога вибір?» стосувалося саме таких законів.) Множинний Всесвіт робить безглуздим питання про те, що було до Великого вибуху, оскільки відбулася нескінченна кількість великих вибухів, і кожен породжував свій сплеск інфляції. Питання Ейнштейна теж втрачає сенс: у нескінченній кількості всесвітів реалізуються всі можливі варіанти законів фізики, тому закони, що керують нашим Всесвітом, не є чимось особливим.

Космологи неоднозначно ставляться до ідеї множинного Всесвіту. Якщо між окремими субвсесвітами справді немає зв’язку, то ми не зможемо переконатися в їхньому існуванні; фактично вони перебувають за межами наукового знання. Частина мене хоче закричати: «Будь ласка, не більше одного Всесвіту!» Але, з іншого боку, ідея множинного Всесвіту розв’язує низку принципових проблем. Якщо вона правильна, то габблівське розширення Всесвіту лише в 100 млрд разів і коперниківське вигнання Землі з центру Всесвіту в XVI ст. здадуться лише невеликим доповненням до нашого усвідомлення свого місця в космосі.

Сучасна космологія, по суті, принижує нас. Ми складаємося з протонів, нейтронів і електронів, які разом становлять лише 4,5% Всесвіту; ми існуємо лише завдяки найтоншим зв’язкам між найменшим і найбільшим. Закони мікрофізики забезпечили домінування речовини над антиречовиною, появу флуктуацій, що стали зародками галактик, заповнення простору частинками темної матерії, яка забезпечила гравітаційну інфраструктуру, що дала змогу сформуватися галактикам, перш ніж запанувала темна енергія, а розширення почало прискорюватися (вставка вгорі). Водночас космологія за своєю природою зарозуміла. Думка про те, що ми можемо зрозуміти щось у такому безмежному океані простору й часу, як наш Всесвіт, на перший погляд здається абсурдною. Ця дивна суміш скромності й самовпевненості дала нам змогу за минуле століття просунутися досить далеко в розумінні будови сучасного Всесвіту та його еволюції. Я з оптимізмом чекаю подальшого прогресу найближчими роками і цілком упевнений, що ми живемо в золоту добу космології.

Якби у Всесвіті було ще більше темної енергії, він залишився б майже безформним (ліворуч), без тих великих структур, які ми бачимо (праворуч).

Переклад: В.Г. Сурдин

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• The Early Universe. Edward W. Kolb and Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
• The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
• Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner у Science, т. 315, с. 59–61; 5 січня 2007 р.
• Dark Tnergy and the Accelerating Universe. Joshua Frieman, Michael S. Turner and Dragan Huterer у Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, т. 46, с. 385–432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
• Черепащук А.М., Чернин А.Д. Горизонты Вселенной. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005.

ПРО АВТОРА

Майкл Тернер (Michael S. Turner) першим узявся за об’єднання фізики частинок, астрофізики й космології і на початку нинішнього десятиліття очолив роботу Національної академії в цій новій галузі досліджень. Він професор Інституту космологічної фізики Фонду Кавлі в Чиказькому університеті. З 2003 по 2006 р. він очолював відділення фізико-математичних наук Національного наукового фонду. Серед його нагород — премія Ворнера Американського астрономічного товариства, премія Лілієнфельда Американського фізичного товариства і премія Клопстега Американської асоціації вчителів фізики.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.