Вначале весь космос звенел как колокол.
Это было сразу после Большого взрыва, когда Вселенная заполнилась горячей плазмой, представляющей собой энергетический суп из частиц и излучения. Эта плазма была однородной, но не совсем. Плотность и давление в разных точках немного отличались, из-за чего материя перемещалась. А когда материя перемещается, возникают звуковые волны. Об этом рассказывает космолог Ллойд Нокс (Lloyd Knox) из Калифорнийского университета в Дэвисе.
Звон стоял повсюду, и был настолько интенсивным, что мы улавливаем его отголоски даже спустя 13,8 миллиарда лет. Его обнаружили непосредственно в реликтовом микроволновом излучении, представляющем собой космический фон в СВЧ-диапазоне, оставшийся после Большого взрыва и возникшего огненного шара. Этот звон тщательно проанализировали, пользуясь теми же самыми основами физики, которые применяются при изучении структуры Солнца. Его измерили и смоделировали настолько хорошо, что этими цифрами пользуются для вычисления точной скорости расширения Вселенной. Это называется постоянная Хаббла. Она легла в основу наших сегодняшних представлений о размере, возрасте и структуре космического пространства.
Но этот кажущийся триумф недавно вызвал недоумение и замешательство у Нокса и его коллег. Если преобладающие теории космологов о Вселенной верны, то все методы расчетов постоянной Хаббла в современную эпоху должны давать один и тот же ответ. Значение, получаемое от экстраполяции древних звуковых волн, должно точно совпадать со значением, получаемым из независимых исследований света далеких звезд и галактик. Но в действительности есть целая серия исследований, которые показывают, что между двумя этими значениями существует загадочная разница. И чем тщательнее ученые изучают этот вопрос, тем более заметным становится несоответствие.
Возможно, кто-то допустил ошибку. Но научных данных появляется все больше, и Нокс теперь придерживается другой гипотезы: что виноваты не его коллеги, а сама Вселенная. А коль так, то выяснение причин, по которым космос звенит не так, как должен, подводит космологов к ранее неизвестной физике, которая может обнаружить совершенно новую составляющую реальности. Нокс и его коллеги исследуют эту увлекательную возможность в новой работе, результаты которой должен опубликовать «Астрофизический журнал». «За последние два года, — говорит Нокс, — в моих мыслях произошла эволюция. Если раньше я думал, что они в чем-то ошиблись, то теперь я думаю: а может, они все сделали правильно, и никакой ошибки нет? Может, это ключ к разгадке, который я давно ищу!»
В погоне за звуковым горизонтом
В своем исследовании Нокс с коллегами сосредоточил внимание на звуковом горизонте. Это малопонятный, но очень важный аспект космологических исследований ранней Вселенной. После Большого взрыва звуковые волны, образовавшиеся от смешения света и материи, свободно перемещались по раскаленной, заполненной плазмой Вселенной. Спустя примерно 380 тысяч лет материя охладилась и образовала атомы, отделившись от света и ослабив звуковые волны. Внезапно звон прекратился, впечатав последнюю замершую структуру волн в излучаемый свет, который мы видим сегодня в космическом реликтовом излучении.
Звуковой горизонт определяет размер этих последних волн. «Насколько далеко распространятся звуковые возмущения к моменту исчезновения плазмы? Это расстояние и является звуковым горизонтом», — говорит Нокс.
Вы можете интуитивно почувствовать качества колокола по тому, как он звонит (маленький стеклянный колокольчик звучит совсем не так, как большой латунный колокол). Точно так же и ученые могут точно определить свойства Вселенной по ее звукам, записанным в микроволновом фоне. Поэтому они с уверенностью заявляют, что космос на 4,8% состоит из обычной материи, на 26% из невидимого вещества, известного как темная материя, и на 69% из загадочной темной энергии, как называют антигравитационную силу, растягивающую пустое пространство. Точно так же они могут с высокой степенью точности вычислить скорость расширения Вселенной.
В 2015 году большой научный коллектив во главе с Джорджем Эфстатиу (George Efstathiou) из Кембриджского университета проанализировал микроволновые измерения астрономического спутника Планка Европейского космического агентства и обнаружил важнейшие статистические данные о нашей Вселенной. Результаты анализа показали, что Вселенная расширяется со скоростью 67,8 километров в секунду на мегапарсек (это единица измерения расстояний, равная 3,26 миллиона световых лет). Космологи обычно отбрасывают эти мудреные окончания и просто говорят, что постоянная Хаббла находится между 67 и 68.
Соперничающие между собой группы астрономов изучают расширение Вселенной разными способами, отыскивая переменные звезды или взрывы сверхновых известной удаленности, а затем непосредственно измеряя, насколько быстро они от нас удаляются. Такой метод «шкалы расстояния» сложнее, чем может показаться. Определение расстояний во многие миллионы световых лет это очень коварная задача, требующая немалого времени и чреватая самыми разнообразными систематическими ошибками. Если вы неверно определите местоположение звезды, все ваши расчеты пойдут насмарку.
«Каждый раз, когда мы повышаем точность, приходится выходить на новый уровень систематизации. Это не дает мне спать по ночам», — говорит Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета, занимающаяся проблемой постоянной Хаббла уже более 30 лет. Но ее группа настойчиво устраняет погрешности и факторы неопределенности, пользуясь данными последних наблюдений за переменными звездами, и недавно дала свой собственный очень точный ответ на вопрос о значении постоянной Хаббла: 73,2. В этом-то и заключается противоречие. «Это большой прогресс, что две цифры отличаются менее чем на 10%», — говорит она. Но приблизительной схожести уже недостаточно. «Планки погрешностей определенно не совпадают, и нет ничего очевидного, что могло бы вызвать эту разницу», — отмечает Фридман. Чтобы вычислить неочевидные проблемы, она разрабатывает новую методику измерения расстояний с использованием в качестве точек привязки гигантских красных звезд. В то же время она проводит эксперимент двойным слепым методом, заново анализируя все полученные ею данные на предмет ошибок и погрешностей.
Космологи с обеих сторон также обращаются за консультациями к посторонним коллективам ученых. Но пока эти независимые арбитры вносят еще больше неясностей и путаницы. Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе провел исследование по вопросу о том, как удаленные галактики искривляют свет, и выдал результат постоянной Хаббла 72,5, что очень близко к результату вычислений методом «шкалы расстояния». Не менее убедительное исследование было проведено по вопросу о том, как изначальные звуковые волны влияют на распределение галактик в современной Вселенной. Оно дало значение постоянной (да, вы догадались верно) 67. Расчеты постоянной Хаббла, привязанные к звуковому горизонту, неизменно дают меньшее значение, чем вычисления, основанные на наблюдениях за звездами и галактиками. Причин этого не знает никто.
Сложный темный космос?
Есть один способ доказать, что все эти измерения верны, и заключается он в том, что что-то не так с толкованиями измерений, которые предлагают ученые. Нокс отмечает: все, что мы знаем о происхождении звукового горизонта, основано на теоретической модели поведения Вселенной в течение невидимых начальных 380 тысяч лет. Если эта модель неверна, и размер звукового горизонта отличается от спрогнозированного, поправка изменит все вычисления и цифры, полученные на ее основе, в том числе, постоянную Хаббла. «Если есть космологическое решение, оно должно дать меньшее значение звукового горизонта», — говорит Нокс. Если уменьшить его всего на семь процентов, то все результаты исследований сойдутся. Но проблема в том, что совершенно непонятны основания для такого уменьшения — почему должно быть так. А во всем остальном эта модель и наблюдения прекрасно согласуются между собой.
«Трудно представить себе ответ, который все бы идеально объяснил. Это должно быть нечто сложное, так как все простое мы уже опробовали», — говорит ученый из Центра космологической физики в Беркли и один из соавторов Нокса Мариус Милли (Marius Millea). Он отмечает, что гораздо проще отбрасывать в сторону то, что не работает. Не найденный тип нейтрино? Нет. Новый вид реакции между фотонами? Сомнительно. Все это не совпадает с имеющимися данными.
По мнению Нокса, самое убедительное объяснение состоит в том, что ранняя Вселенная расширялась немного быстрее, чем ожидалось. А если так, то и остывала она быстрее, а следовательно, звуковой горизонт должен был замереть немного раньше. В таком случае звуковой горизонт должен быть меньше того значения, которое теоретики применили в своих моделях и — задачка решена! Вернее, надо искать новое решение, ибо теперь необходимо как-то объяснить, что заставило ранний космос двигаться быстрее.
У Нокса есть свои сомнения на сей счет. «Возможно, это приведет нас к новому ингредиенту в „темном секторе"», — говорит он, имея в виду невидимые компоненты Вселенной, которые никоим образом не взаимодействуют с излучением. Ученые уже ссылаются на темную материю, когда пытаются объяснить ускоренное расширение Вселенной галактическими перемещениями и темной энергией. Разные значения постоянной Хаббла могут стать первым признаком существования третьего темного компонента, утверждает Нокс. Он называет его «темным турбо», отмечая, что этот компонент мог добавить энергии ранней Вселенной, а это ускорило ее расширение и изменило высоту звука. А еще возможно, что у темной энергии не одна форма, или она меняется более сложными способами. Недавно было проведено исследование 1 598 удаленных квазаров с использованием рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Оно дало пусть предварительные, но весьма интригующие доказательства второй интерпретации.
Использование чего-то нового и невидимого для объяснения путаных результатов может показаться обманом, однако Нокс смотрит на это иначе. Конфликт с постоянной Хаббла выводит на свет ту грань Вселенной, которую до сих пор не удавалось обнаружить. И он не видит ничего странного в существовании многочисленных видов темных элементов. Нокс отмечает, что видимая часть Вселенной содержит много разных типов частиц и сил, и задает вопрос: а может, темная сторона Вселенной такая же сложная?
В любом случае, это не философские дебаты, а вполне конкретный научный вопрос. Новые наблюдения за ранней Вселенной, проведенные в Антарктиде с помощью телескопа на Южном полюсе, и в Чили с помощью космологического телескопа в Атакаме, помогут больше узнать о звуковом горизонте. Нокс также участвует в проекте следующего поколения CMB-S4, который предусматривает составление карты поляризации микроволнового неба с величайшей точностью. Кроме того, Фридман близка к завершению своего всестороннего повторного анализа данных. Исследование гравитационных волн даст совершенно независимый способ оценить истинное значение постоянной Хаббла.
Уже скоро полученные данные покажут, гнались ли ученые за ошибками, или они продвигались в неразведанный сектор космоса. «Будет намного интереснее, если окажется, что существует новая фундаментальная физика. «Но не нам решать, так оно будет или иначе, — говорит Фридман. — Вселенной безразлично, что мы думаем о ней».
