Модель инфляционной Вселенной

Возникновение во Вселенной крупномасштабных неоднородностей

Крупномасштабное скучивание галактик или существование самих квазаров нельзя объяснить теорией горячей Вселенной. Еще Хаббл, изучая в 20 — 30-е гг. распределение галактик с помощью

мощнейшего тогда 100-дюймового телескопа, выявил тенденцию образования групп галактик. Он отметил, что распределение ярких галактик неоднородно в очень больших угловых масштабах. Но при усреднении по областям определенных размеров распределение однородно. Так, вблизи галактических полюсов оно практически однородно, в пределах 10—40° вообще не наблюдается ни одной галактики. Хаббл объяснил это поглощением межзвездного газа, сосредоточенного вдоль плоскости Галактики.

Космическое фоновое излучение — не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Но почему вещество не заполняет равномерно все пространство? Ведь в крупных масштабах усреднения она однородна. Здесь теории микро- и мегамира вновь идут вместе. В теории физики элементарных частиц главный процесс — нарушение симметрии. Во Вселенной нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей.

Текстуры — это зародыши агрегатов вещества, неоднородности, появившиеся вскоре после образования Вселенной. Текстуры могли превращаться в ходе эволюции в галактики и их скопления. Они создают вариации плотности, и в этих областях гравитация более эффективно тормозит общее расширение. Если гравитация преобладает над расширением, область начинает сжиматься, увеличивая флуктуации плотности. Ньютон был уверен, что самогра-витирующие облака могут возникать самопроизвольно в равномерно распределенном веществе. Но в однородной космической среде сгустки образуются не так, как кристаллы в переохлажденной жидкости. Космологи считают, что флуктуации плотности в первоначальном огненном шаре, выросшие до современных структур, не могли образоваться самопроизвольно. Поэтому они должны были быть с самого начала.

Вселенная очень неоднородна, что показывают обзоры крупномасштабного распределения галактик. Но она однородна в больших масштабах (больших сотен Мегапарсек). Этот вывод получен из фонового излучения, содержащего информацию о свойствах Вселенной, очень далеко разнесенных в пространстве. Эти свойства оказываются совершенно одинаковыми, хотя эти точки могут идти от самого горизонта, сейчас — с расстояния 26 млрд св. лет (так как расстояние до горизонта 13 млрд св. лет). Галактики имеют тенденцию к скучиванию, образуя струи и сгущения, которые окружают пустоты — войды. Пустоты достигают размеров 100 — 400 млн св. лет. Можно ожидать, что видимое распределение окажется отличным от истинного распределения материи. И говорят, что вещество во Вселенной существует в форме светящихся звезд, газовых облаков и темного вещества. Об этом свидетельствуют и наблюдения орбитальных движений звезд и газа, а масса темного вещества в виде гало составляет до 10 масс видимого объекта (его оценивают по гравитационному воздействию). Природа темного

вещества пока не выяснена, некоторые считают его холодным, но оно может скучиваться под влиянием гравитации с образованием объектов от галактик до сверхскоплений.

Но почему Вселенная однородна в одних масштабах и неоднородна в других, что же послужило началом расширения пространства Вселенной? В начальный момент в точке были огромное давление и высокая температура. Давление нагретых газов вызывает интенсивное расширение — взрыв. Если взрыв происходит в воздухе, имеет место перепад давлений между горячим газом и воздухом, вызванный неоднородностью плотности расширяющегося газа. Но вещество Вселенной однородно, поэтому перепада давлений, вызывающего подталкивающую к разлету силу, нет. Огромное давление в самом начале не может служить толчком к быстрому разлету. И наоборот, большое давление ведет, согласно ОТО, к дополнительному тяготению, т. е. даже замедляет расширение.

Эйнштейн ввел в теорию понятие силы гравитационного отталкивания, описываемой константой Л. Модель пустой Вселенной де Ситтера допускает, что космологическая постоянная вызывает ускоренный разлет частиц вещества. По оценкам в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была близка к критической. Причину этого назвали «проблемой критической плотности». В теории элементарных частиц получено, что при сверхбольших энергиях возможно существование монополей, струн (см. 2.8). Монополи — это своеобразные частицы, которые в 10¹⁶ раз массивнее протонов, возникали в эпоху Великого объединения, но в процессе дальнейшей эволюции Вселенной они частично аннигилировали, но должны еще быть. Может, они входят в «скрытую массу» Вселенной, ведь ее плотность в 30 раз превосходит плотность обычной материи. Современная теория вакуума признает существование разных вакуумов, зависящих от способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с минимальным значением энергии, ниже которого уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказывается, вакуум в некоторых случаях может обладать положительной плотностью энергии, плотностью массы и отрицательным давлением (натяжением). Эти особые свойства вакуума и приводят к увеличению космологической постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая гравитационное отталкивание.

По теории А. Гута и П. Сейнхардта, раздувание очень ранней Вселенной было сильным и кратковременным (рис. 9.13). Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полученного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание должно происходить по экспоненте, если силы вакуума становятся превалирующими во Вселенной.

Силы «антигравитации» становятся больше гравитационных, и это служит первотолчком к расширению с ускорением. В 70-е гг.

советские физики Д.А. Киржниц и А. Линде показали, что такие условия могут возникать во Вселенной при больших давлениях и резком снижении температуры от очень больших значений, превышающих температуру эпохи Великого объединения. Эффекты квантовой гравитации, по теории Линде, приводят к возможности возникновения вакуумоподобных состояний, когда существует гравитационное отталкивание. Согласно теориям сверхплотной материи, такие состояния могут возникать по нескольким причинам. Плотности эти соответствуют энергиям почти планковским: 10¹⁹ ГэВ = 10³² К. Такую энергию частицы имели в момент порядка 3 • 10^-44 с. Можно вычислить, что в этот момент плотность материи р = 10⁹⁷ кг/м³ и тоже называется планковской. Таким образом, в это время при условиях, близких к планковским, существовало вакуумноподобное состояние, приведшее к инфляционному раз-

дуванию. Все локальные скучивания в течение фазы раздувания, или инфляции, сильно расширились, все микроскопические квантовые флуктуации превратились в макроскопические вариации плотности, из которой в будущем образовались структуры. Теория фазы инфляции основана на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации настолько велики, что приходится подгонять ряд параметров модели.

Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселенной точно совпадает с описанием наблюдаемого мира, начиная с 10^-30 с после Начала. Даже в эти микроскопические доли секунды наблюдается отличие модели. В раздувающейся Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось в модели Большого Взрыва. Последствия этого раздувания велики, они приводят к выводу, что наблюдаемая нами Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что Начало было 10—15 млрд лет назад из сингулярного (сверхгорячего и сверхплотного) состояния, расширение пространства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик, и первоначальное содержание легких элементов. Используя данные о мире элементарных частиц, космологи теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к моменту в 10^-45 с после начала расширения. Приходится что-то предполагать о таком экзотическом состоянии, например, о существовании большого числа магнитных монополей.

Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить число таких «экзотических» частиц. Считается, что в указанные времена законы физики не менялись, состояние описывалось квантовой гравитацией. Вещество было равновесно и однородно. Это был горячий газ элементарных частиц, заполняющий все пространство и расширяющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального. В 1970 г. расчет Хайвели показал, что водород был в металлической фазе, т.е. его кристаллизация привела к возникновению не только упорядоченной решетки, но и металла, свойства которого похожи на свойства металлического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера навело в то время на мысль, что ядро этой планеты состоит из металлического водорода. В таком состоянии водород мог раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазового перехода могли появиться молекулярные кристаллы.

Подобные фрагменты с молекулярно-кристаллической структурой соответствуют по массе наиболее крупным спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из металлического водорода, превосходят по массе Землю и на 1 — 2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты. Но изменения состояния вещества и излучения были много медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объясняет упомянутые события через 1 с после Нача-

ла, позволяя предсказывать и другие явления, которые можно проверить.

Изотропность реликтового излучения, или однородность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах, пытается объяснить модель Большого Взрыва. Из-за конечности скорости света всегда существует горизонт — максимальное расстояние, на которое сигнал успел распространиться со времени начала расширения Вселенной. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в противоположных направлениях на небесной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в момент излучения.

Спектр начальных неоднородностей задают для объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это предположение введено для объяснения скучивания вещества в галактики, скопления галактик, сверхскопления скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной. По ОТО, тип кривизны пространства определяется плотностью энергии: если она больше критической, определяемой темпом расширения, то пространство замкнуто, если меньше — незамкнуто, если равна — пространство плоское. Последний случай соответствует неустойчивому состоянию, которое никогда не меняется в идеальных условиях. Если в начале она была хоть немного отличной от критической, то это отклонение быстро росло бы со временем. По современным данным, значение отношения плотностей энергии равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон значений параметра, в начале должно быть отличие от 1 с погрешностью до 10^-15 с. Эти приближения заложены в начальные условия стандартной модели Большого Взрыва.

Электромагнитные силы, порождаемые плазмой, играют более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация, считает шведский астрофизик X. Альфен. Межзвездное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, понуждающие плазму создавать такие фигуры, заставляют ее образовывать галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, выделяющейся при аннигиляции частиц и античастиц, но расширение происходит медленней. Ряд идей Альфена, родившихся из экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в Солнечной системе. Космологические модели, основанные на идеях Альфена и данных о плазме, разрабатывает на суперкомпьютерах в Лос-Аламосе группа сотрудников под руководством Э. Ператта. Один из расчетов показал, как нитевидные структуры из плазмы могут дать равномерный микроволновый фон, открытие которого подтвердило модель Большого Взрыва. Есть расчеты, показывающие, как электромагнитные силы могут участвовать вместе с гравитацией в образовании галактик из облаков плазмы. При этом получаются все известные формы галактик без дополнительных предположений о существовании темного вещества, которое вводят в другие модели эволюции Вселенной.

Иначе истолковывает красное смещение и закон Хаббла американский астроном Х.Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим в основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что квазары, обладающие наибольшим красным смещением, на самом деле находятся не на краю Вселенной, как следует из закона Хаббла, а не далее, чем все галактики, хотя их красное смещение много меньше. Ему даже кажется, что квазары могут быть «ответвлениями» галактик.

Идеи Великого объединения взаимодействий на основе симметрии, которая спонтанно может нарушаться, развивает современная теория элементарных частиц. В равновесном состоянии этих нарушений симметрии нет. Но при температурах порядка 10²⁷ К возможны фазовые переходы среди барионов (протонов и нейтронов). Закон сохранения барионного числа исходит из стабильности протонов, поскольку время его жизни порядка 10³¹ лет, что известно из опытов. Из теорий Великого объединения известно, что барионное число сохраняется не точно. При высоких температурах закон нарушается, и этим объясняется зарядовая асимметрия нашей Вселенной. Наблюдаемый избыток вещества над антивеществом — следствие взаимодействия элементарных частиц при температурах чуть ниже критической температуры фазового перехода. При кристаллизации жидкости различные области — домены — могут кристаллизоваться с разным направлением осей. Домены растут, приходят в соприкосновение друг с другом, при этом энергетически выгодно совпадение осей на границах соприкосновения. Но это получается не всегда, и остаются «локальные дефекты». Точечным дефектам соответствуют магнитные монополи, а поверхностным — стенки доменов.

Модель инфляционной Вселенной Алана Гута (1980), детально анализирующая нарушение симметрии при фазовых переходах в столь необычных условиях, сумела уменьшить некий произвол с монополями. Андрей Линде исправил некоторые допущения модели, сохранив ее достоинства. Впервые была сделана попытка разрешить одну из основных проблем мироздания — возникновение всего из «ничего». Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, которые имеют разные знаки, и тогда полная энергия Вселенной равна нулю. Если предсказываемое теориями Великого объединения несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной «из ничего». Пока же эти модели дают только предполагаемый механизм, который можно на основе фантазии и знаний рассчитывать на компьютерах.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Поясните, что такое «галактика», каковы форма и строение галактик. Где находится Солнечная система в нашей Галактике?
2. Каковы источники энергии звезд? Дайте представление об эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие в их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?
3. Расскажите, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны.
4. Назовите эмпирические подтверждения расширения Вселенной. Что означают понятия «стационарность» и «нестационарность» Вселенной, какова природа реликтового излучения?
5. Какие наблюдения подтвердили модель Большого Взрыва?
6. Как связаны общая теория относительности и модель расширяющейся Вселенной?
7. Почему в результате первичного нуклеосинтеза не могли образоваться химические элементы, существующие сейчас во Вселенной?
8. Каково содержание и значение закона Хаббла? Опишите эволюцию Вселенной от Большого Взрыва до начала первичного нуклеосинтеза.
9. Дайте представление об инфляционной теории рождения Вселенной.

10. Опишите процессы эволюции Вселенной от ее «просветления» до
образования галактик и звезд.