Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 52)

С учетом скрытой массы средняя плотность материи во Вселенной весьма близка к критической. Это означает, что кривизна пространства близка к нулю, мы живем в евклидовом (почти евклидовом) мире.

Какова природа скрытой массы? Это тоже до конца неизвестно. Вначале, когда проблема впервые остро встала перед космологией, предполагалось, что скрытая масса может быть обусловлена нейтрино. Долгое время после открытия нейтрино считалось, что их масса равна нулю. Однако в 1980-х годах экспериментально было обнаружено, что хотя масса нейтрино действительно очень мала, она все же отлична от нуля. Первые оценки массы нейтрино давали величину порядка 5 • 10^-32 г, затем они были снижены до 10^-32 г, это в 100 тысяч раз меньше массы электрона, но вполне достаточно, чтобы объяснить всю или почти всю скрытую массу. Действительно, в 1 см³ пространства в современную эпоху содержится около 500 нейтрино всех видов, их общая масса порядка 10^-29 г. Однако по современным данным масса нейтрино значительно меньше, и их вклад в массу темной материи невелик. Считается, что подавляющая доля скрытой массы, до 70 %, падает на долю особой «вакуумной материи», равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Эта материя обладает отрицательной гравитацией и является источником тех самых сил отталкивания, связанных с Λ-членом, которые были введены в модели Эйнштейна (дополнительно см. п. 2.2.3). В отличие от обычной материи, «вакуумная материя» не тормозит расширение Вселенной, а, напротив, ускоряет его. Поэтому хотя доля этой материи велика, она не может привести к образованию замкнутой Вселенной. Остается еще 30 % скрытой массы. Предполагается, что она может быть обусловлена такими гипотетическими частицами, как аксионы, нейтралино и другие суперсимметричные частицы, которые «с необходимостью» возникают в теории, но экспериментально пока не обнаружены. Иногда в этой связи указывают и на такие тоже гипотетические объекты, как «монополи», «струны», «мембраны», первичные черные дыры и даже горловины «кротовых нор», о которых мы упоминали в § 1.15. Поскольку вклад всех этих объектов точно не известен, рассматривается еще одна возможность — «зеркальное вещество».

Современная физика элементарных частиц принимает в качестве фундаментального постулата симметрию между правым и левым. Отсюда следует, что каждая частица нашего мира должна иметь свой зеркальный аналог. Из них могут быть образованы зеркальные атомы, молекулы, звезды, галактики и ... внеземные цивилизации. При этом частицы нашего мира могут взаимодействовать с частицами зеркального мира только гравитационно. По образному выражению одного из физиков, через комнату, в которой вы сейчас сидите, может проходить поезд из зеркальной материи, и никто этого не заметит, если только не будут поставлены тончайшие гравитационные эксперименты. Но поскольку зеркальное вещество подвержено тяготению, оно вносит свой вклад в скрытую массу нашего мира (как и наша материя вносит свой вклад в скрытую массу их мира). Если доля обычного вещества (барионная составляющая) в зеркальном мире такая же, как и у нас, зеркальная материя вносит 5% в скрытую массу нашего мира. Если барионная составляющая в зеркальном мире выше, то соответственно повышается и обусловленная зеркальным веществом доля скрытой массы нашего мира. По мнению Н. С. Кардашева, доля зеркального вещества может доходить до 25 %[131].

Читателя не должна смущать неопределенность приводимых здесь данных. Обсуждая проблему скрытой массы, мы не только подошли к передовому краю развития науки, но коснулись таких областей, где перед физикой встали фундаментальные проблемы, которые, возможно, существенно изменят наши представления о мире. Развитие здесь происходит очень быстро, и когда читатель будет пробегать глазами эти строки, многое, наверное, уже изменится.

Важно подчеркнуть, что хотя мы не знаем точно, какова плотность материи во Вселенной — больше критической или меньше, но она заведомо близка к критической. (Именно потому, что плотность близка к критической, трудно выбрать между двумя альтернативными вариантами.) Также надо иметь в виду, что описанный выше характер расширения Вселенной справедлив для модели с Λ-членом, равным нулю. Наличие «вакуумной материи» означает, что Λ-член не равен нулю. Если это так, то истинный характер расширения должен отличаться от описанного выше.

Каков бы ни был характер расширения Вселенной, в начальный момент (t = 0) масштабный фактор a(t) обращается в нуль (см. рис. 2.2.3). Для замкнутой Вселенной это означает, что ее объем в начальный момент был равен нулю, и значит, она начала расширяться из точки (!). Что касается бесконечной Вселенной, то она всегда остается бесконечной, но любая ее конечная область (в том числе наша Метагалактика) в начальный момент тоже имела нулевой объем. Плотность вещества в этот момент была бесконечной, а скорость расширения стремилась к скорости света. Это состояние бесконечной плотности получило название «сингулярного состояния». Таким образом, в начальный момент Вселенная расширяется из сингулярного состояния с предельно большой скоростью. Процесс «возникновения» Вселенной из сингулярности Деметр назвал Большим взрывом.

Какова природа сингулярного состояния, реализуется ли оно в действительности? Как близко можно подойти к этому состоянию, изучая историю Вселенной? Что означает «возникновение» Вселенной при t = 0? Что было до этого момента? Эти фундаментальные проблемы космологии не получили пока окончательного решения. Однако за пределами сингулярности теория хорошо согласуется с наблюдениями.

Возникает вопрос — как давно произошел Большой взрыв? Оказывается, можно определить этот момент, зная значение постоянной Хаббла[132]. Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, равной ее современному значению, то время расширения от момента t = 0 до современного момента t₀ равно t_н = 1/Н₀ (Н₀ — значение постоянной Хаббла в современную эпоху)[133]. Это время называется хаббловским временем. Фактически время расширения будет отличаться от хаббловского. Для модели с Λ-членом, равным нулю, в случае ρ = ρ_кр что, как мы видели, близко к действительности:

Если постоянную Хаббла Н₀ выражать, как это принято в наблюдательной астрономии, в единицах (км/с)/Мпк, а время t_н — в годах, то t_н = 10¹²/Н₀ . Точное значение Н₀ не известно, но из наблюдений следует, что Н₀ заведомо не превышает 100 (км/с)/Мпк, и не меньше, чем 50 (км/с)/ Мпк. Более точная оценка Н₀: в пределах от 65 до 80 (км/с)/Мпк. Отсюда t_н = 10 ÷ 20 млрд лет, или более точно 12 ÷ 15 млрд лет, а t₀ = 8 ÷ 10 млрд лет. Здесь опять-таки следует иметь в виду, что и эти оценки справедливы при условии Λ = 0. В последнее время появляется все больше свидетельств того, что Λ-член не равен нулю и, более того, связанные с ним силы отталкивания приводят к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Если это так, то возраст Вселенной (время от момента t₀ до современного момента) должен быть больше хаббловского.

Наличие сингулярности приводит к существованию горизонта Вселенной. Чем дальше от нас находится наблюдаемый объект, тем ближе к началу расширения Вселенной относится момент времени, когда был испущен свет, достигающий сейчас наблюдателя. Точки в пространстве, от которых до нас доходит свет, испущенный в момент начала расширения (t = 0), и образуют горизонт Вселенной. Горизонт охватывает лишь часть Вселенной, а в случае открытой Вселенной за его пределами находится бесконечное пространство. И тем не менее, ни один объект за горизонтом не может наблюдаться даже с помощью самого совершенного телескопа, ибо за все время существования Вселенной свет, испущенный любым из этих объектов, еще не успел достичь наблюдателя. Эти объекты станут доступными для наблюдения в будущем, когда свет от них дойдет до наблюдателя. Следовательно, горизонт со временем расширяется. В современную эпоху радиус горизонта R_гор = с/Н₀ ; в зависимости от значения постоянной Хаббла он составляет 10 ÷ 20 млрд св. лет. На горизонте красное смещение становится бесконечным, а скорость расширения равна скорости света.

Сколь близко астрономы подошли к горизонту Вселенной? Если в начале XX века область Метагалактики, для которой были определены расстояния, составляла менее 1 % от радиуса горизонта, то сейчас она превысила 50 %. Расстояние до далеких объектов (с z > 1) выражается формулой

При z → ∞ r(z) → R_гор . Наиболее далекие из обнаруженных к настоящему времени объектов имеют z порядка 5 ÷ 6. При z = 6 отношение r(z)/R_гор= 0,62. Свет, который мы сейчас наблюдаем от этого объекта, был испущен, когда Вселенная была в 18,5 раза моложе и в 7 раз компактнее, чем сейчас. (Здесь мы использовали соотношения: r_набл/r_изл = 1 + z; t_набл/t_изл= (1 + z)^3/2> справедливые для модели Фридмана при ρ = ρ_кр на достаточно поздних стадиях расширения, когда давлением излучения можно пренебречь.)

Вблизи горизонта незначительному приращению расстояния соответствует большое изменение 2 и, следовательно, существенное продвижение в прошлое Вселенной. При этом возможна ситуация, когда из двух объектов более удаленный сейчас в момент излучения находился ближе к нам, чем более близкий (в момент его излучения). Действительно, свет от более удаленного объекта был излучен давно, когда Вселенная была сильно сжата, и все расстояния в ней, в том числе расстояние от объекта до наблюдателя, были существенно меньше. Свет же от более близкого объекта был излучен не так давно, Вселенная была тогда не столь сжата, и его расстояние от наблюдателя не сильно отличается от современного, поэтому он в момент излучения был дальше от наблюдателя, чем более удаленный объект в момент его излучения. Так в расширяющейся Вселенной проявляется относительность понятий «близкое» и «далекое»: близкое становится далеким и далекое близким.