наблюдений позволила проследить историю расширения Вселенной.
Эта история таила в себе неожиданности. Например, в 1998 году астрономы обнаружили, что примерно пять миллиардов лет назад расширение пространства начало ускоряться – хотя во всех своих известных формах материя обладает свойством притяжения, и, следовательно, расширение должно замедляться. С тех пор физики пытаются понять, не связано ли это странное космическое ускорение с эйнштейновской космологической постоянной и не является ли оно чем-то вроде невидимой эфироподобной «темной энергии», из-за которой у гравитации появляется свойство отталкивания вместо притяжения? «Похоже, Вселенная может оказаться похожей на Лос-Анжелес, – пошутил один астроном, – в ней на треть субстанции и на две трети энергии».
Очевидно: если Вселенная сейчас расширяется, в прошлом она должна была находиться в более сжатом состоянии. Если пустить космическую историю задом наперед – конечно, в виде теоретического упражнения, – то получится, что все вещество в какой-то момент окажется очень плотно упакованным в малом объеме пространства и к тому же очень горячим; ведь при сильном сжатии вещество разогревается и начинает излучать. Такое первичное состояние известно под названием горячего Большого взрыва. Астрономические наблюдения, начавшиеся в «золотые 1990-е» и продолжающиеся до сих пор, позволили определить возраст Вселенной, или время, прошедшее с момента Большого взрыва: 13,8 миллиарда плюс-минус 20 миллионов лет.
Желание узнать больше о рождении Вселенной росло, и в мае 2009 года Европейское космическое агентство (ESA) запустило спутник, задачей которого было наиболее полное и детальное из всех, когда-либо проводившихся, сканирование ночного неба. В результате планировалось построить карту распределения флюктуаций таинственного теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Пропутешествовав в расширяющемся космическом пространстве 13,8 миллиарда лет, жар от рождения Вселенной достигает нас уже остывшим до 2, 725 K, или примерно до минус 270 °C. При такой температуре излучение лежит в основном в микроволновом участке электромагнитного спектра, и поэтому остаточное тепло называют космическим микроволновым фоном, или CMB-излучением.
Усилия, прилагаемые ESA для того, чтобы уловить и описать это древнее, «реликтовое» тепло, достигли кульминации в 2013 году. На первых полосах всех газет мира появилась причудливая пятнистая картина, напоминающая полотно художника-пуантилиста. Это изображение мы видим на рис. 2, и это не что иное, как составленное из миллионов пикселей необыкновенно подробное распределение по всему небу, по всем направлениям в пространстве температуры реликтового CMB-излучения. Можно сказать, что это детальная фотография Вселенной, какой она была примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда остыла до нескольких тысяч градусов – достаточно, чтобы выпустить на свободу первичное излучение, которое с тех пор, не удерживаемое больше ничем, путешествовало в космосе.
Столь подробные наблюдения CMB-излучения подтвердили, что реликтовое тепло Большого взрыва распределено в пространстве почти – хоть и не идеально – равномерно. «Пятнистость» изображения отражает микроскопически малые различия температуры, крохотные ее колебания, не превышающие стотысячной доли градуса. Но эти мельчайшие вариации критически важны: они отражают положения первичных конденсаций вещества, вокруг которых в конце концов стали формироваться галактики. Ведь если бы область горячего Большого взрыва была полностью однородной, никаких галактик сейчас бы не было.
Рис. 2. Послесвечение горячего Большого взрыва. Это тепловая карта неба на микроволновых частотах, построенная по данным названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка спутника «Планк» Европейского космического агентства. Сгущения различных оттенков серого соответствуют малым изменениям температуры реликтового космического микроволнового излучения, приходящего к нам с разных направлений на небе. На первый взгляд распределение этих температурных флюктуаций выглядит случайным, но тщательный анализ выявил в нем структуры, связывающие друг с другом различные участки карты. Исследуя эти структуры, космологи могут реконструировать историю расширения Вселенной, построить модель образования в ней галактик и даже предсказать ее будущее.
Карта CMB отмечает положение нашего космологического горизонта, дальше которого мы заглянуть не можем. Но, опираясь на наши космологические теории, мы можем по крупицам восстановить ход процессов, происходивших в еще более ранние эпохи. Как палеонтологи по окаменелостям догадываются, какими были на Земле в далеком прошлом формы жизни, так и космологи, расшифровывая структуры, объединяющие температурные неоднородности, сохранившиеся за миллиарды лет, способны воспроизвести процессы, в ходе которых реликтовая тепловая картина отпечаталась на нашем небе. Карта реликтового CMB-излучения стала космологическим Розеттским камнем, который позволяет нам проследить историю Вселенной далеко назад – возможно, даже понять, какой она была спустя мельчайшие доли секунды после рождения.
И то, что мы узнали, оказалось удивительным. Как мы увидим в Главе 4, структуры, закодированные в карте вариаций температуры CMB-излучения, показывают, что Вселенная сначала расширялась очень быстро, потом замедлилась, а не так давно (около пяти миллиардов лет назад) опять начала ускоряться. На масштабах, соответствующих самым большим глубинам времени и пространства, это замедление кажется скорее исключением, чем правилом, одной из необъяснимых счастливых случайностей, сделавших нашу Вселенную благоприятной для жизни. Ведь только в замедляющейся Вселенной вещество способно накапливаться и концентрироваться, образуя галактики. Не будь этой паузы в расширении Вселенной, не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни самой жизни.
Получилось так, что история расширения Вселенной сыграла главную роль в одной из первых попыток вписать наше существование в современную космологическую парадигму. В начале 1930-х Леметр в одном из своих маленьких пурпурных блокнотиков сделал примечательный набросок того, что он называл «нерешительной» Вселенной – Вселенной с историей расширения, очень похожей на тот ухабистый путь, который постепенно вырисуется из наблюдений спустя семьдесят лет[5] (см. рис. 3 на вклейке). Леметр пришел к идее о долгой паузе в расширении Вселенной, раздумывая над вопросом о ее приспособленности для жизни. Он знал: астрономические наблюдения соседних галактик указывали на то, что в последнее время скорость расширения Вселенной была высокой. Но когда он обратил эволюцию Вселенной назад во времени, то оказалось, что при такой скорости все галактики должны были всего какой-то миллиард лет назад столпиться в одной области пространства. Это, конечно, было невозможно – ведь и Земля, и Солнце были гораздо старше. Чтобы избежать очевидного противоречия между историями Вселенной и Солнечной системы и дать звездам, планетам и жизни время на развитие, Леметр предположил, что в истории Вселенной должна была быть эра очень медленного расширения.
КАК ПАЛЕОНТОЛОГИ ПО ОКАМЕНЕЛОСТЯМ ДОГАДЫВАЮТСЯ, КАКИМИ БЫЛИ НА ЗЕМЛЕ В ДАЛЕКОМ ПРОШЛОМ ФОРМЫ ЖИЗНИ, ТАК И КОСМОЛОГИ, РАСШИФРОВЫВАЯ СТРУКТУРЫ, ОБЪЕДИНЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, СОХРАНИВШИЕСЯ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ, СПОСОБНЫ ВОСПРОИЗВЕСТИ ПРОЦЕССЫ, В ХОДЕ КОТОРЫХ РЕЛИКТОВАЯ ТЕПЛОВАЯ КАРТИНА ОТПЕЧАТАЛАСЬ НА НАШЕМ НЕБЕ.
На протяжении нескольких десятилетий после пионерской работы Леметра физики продолжали натыкаться еще на многие другие «счастливые совпадения», делающие Вселенную поразительно благоприятной для жизни. Достаточно было бы малейшего изменения почти в любом из основных ее физических свойств, от поведения атомов и молекул до структуры
