Конечно, нельзя забывать о том, что CMBR появилось только в эпоху рекомбинации, когда сформировались нейтральные атомы, а фотоны перестали сталкиваться с частицами материи. То есть давление света на материю упало практически до нуля, в результате чего первичный бульон стал существенно более разреженным. В результате наименее крупные структуры могли коллапсировать. Их масса приблизительно должна была равняться 105 массы Солнца, то есть меньше одной миллионной массы Млечного Пути – приблизительно столько же, сколько весит шаровое звездное скопление.
До того как разделиться в период рекомбинации, фотоны и частицы материи находились в одном первичном бульоне, и поэтому при увеличении плотности материи плотность фотонов тоже увеличивалась.
Сегодня эти крохотные вариации в плотности фотонов проявляются в легких вариациях температуры CMBR. Именно они были названы отпечатками пальцев Бога: их обнаружил спутник COBE, тщательно замерил спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а затем – с еще большей точностью – спутник «Планк». И хотя диапазон флуктуаций составлял всего лишь от одной сотой до одной тысячной градуса, их значение достаточно велико, чтобы служить доказательством формирования структур, наблюдаемых нами сегодня, в результате тех самых гравитационных коллапсов. Сегодня наиболее распространенным среди ученых стал сценарий коллапсов «снизу вверх»: вначале формируются небольшие структуры, они объединяются во все более крупные. Сверхскопления образуются и тогда, когда вы читаете эту книгу.
Мы точно ничего не упустили в нашей картине Вселенной?
10
Орга́н, на котором играет Вселенная
Наше недавнее сравнение Вселенной с комнатой возможно лишь с одной существенной оговоркой: в отличие от комнаты, Вселенная расширяется. Поскольку расширение заставляет структуры внутри Вселенной удаляться друг от друга, оно препятствует возникновению в ней гравитационного коллапса. Насколько ей это удастся, зависит от скорости расширения, которая, в свою очередь, зависит от того, из каких компонентов состоит Вселенная и сколько их.
Поскольку ни фотоны, ни темная энергия не ведут себя так, как материя, кажется довольно логичным, что скорость расширения Вселенной зависит не только от плотности ее компонентов, но и от их природы. Вселенная, состоящая по большей части из видимой или темной материи (то есть Вселенная с преобладающей материей, как мы назвали ее в главе 5), характерна тем, что скорость ее расширения постоянно снижается. В то же время во Вселенной, в которой преобладает излучение, то есть главную роль играют фотоны и нейтрино, расширение тоже замедляется, но коэффициент замедления будет иным; что же касается Вселенной, наполненной темной энергией (то есть подчиненной закону космологической постоянной), то скорость ее расширения не меняется. Сильно искривленная Вселенная также имеет свои особенности поведения.
Учитывая, что скорость расширения Вселенной в значительной степени зависит от ее компонентов, вы можете догадаться, что изменение их пропорционального состава влияет на сценарий образования галактик. Этот принцип сильно играет нам на руку, ведь благодаря ему космологи могут исключить бо́льшую часть ошибочных предположений. Но здесь перед нами встает вопрос: каковы точные пропорции компонентов, позволяющих галактикам формироваться сегодня?
* * *
Чтобы разобраться в этом, мы обратимся к звуку, в данном случае – к звуку орга́на. Главная особенность церковного орга́на – ряды из сотен труб, различающихся по своей длине. Длина каждой трубы определяет издаваемый ею звук, а точнее – длину и частоту звуковой волны. Есть несколько разновидностей орга́нных труб, но сейчас нас интересуют те, что имеют отверстия и сверху, и снизу. Когда звуковая волна проходит по такой трубе, заставляя воздух сжиматься и разжижаться, давление в области отверстий должно оставаться таким же, как и в самом помещении. Именно это позволяет воздуху внутри трубы резонировать. Как показано на рис. 13 и 14, максимальная длина волны, при которой она может уместиться в полости трубы и при этом соответствовать вышеописанному требованию, может превышать длину трубы не более чем в два раза. Это основной тон или первая гармоника – нота, которую мы слышим.
Волна длиной, равной длине трубы, тоже создает резонанс, и поскольку ее длина составляет половину основной, частота ее колебаний оказывается вдвое выше. Эта волна известна как первый обертон или вторая гармоника. Третья гармоника, частота колебаний которой в три раза выше основной, тоже будет резонировать, как и прочие вслед за ней. В случае с каждой гармоникой, расстояние от максимума или минимума давления в трубе до ближайшего пика давления в помещении составляет одну четверть длины волны или одну четверть колебания.
В целом Вселенная – это все тот же орга́н.
Рис. 131
* * *
Конечно, если нарисовать график звуковой волны, производимой орга́ном, он будет намного сложнее простой синусоидальной волны, однако идеальная его версия будет напоминать волну, изображенную на графике слева на рис. 14.
Рис. 14
Наверное, вы уже поняли, что любая нота, сыгранная на музыкальном инструменте, состоит из основного тона и обертонов, возникающих на более высоких частотах, как показано на правом графике вверху. Математический метод, применяемый для разбивки ноты на обертоны, или гармоники, называется спектральным анализом. Разложив волну на гармоники, мы можем построить график, отражающий количество энергии на каждой частоте волны, как на рис. 15. Это и есть спектр звуковой волны – такой же, как у световых или тепловых волн. На графиках показан простой случай всего для трех гармоник.
Рис. 15
Ранняя Вселенная – самый грандиозный орга́н, который только можно представить. Запомните: температурные флуктуации космического микроволнового фона отражают флуктуации плотности материи в ранней Вселенной. Величина этих флуктуаций может разниться: детализированная карта, созданная при помощи космического телескопа на спутнике «Планк», показала, что некоторые флуктуации соответствуют более высокой плотности, чем другие, образуя спектр колебаний плотности, по форме совершенно аналогичный спектру звуковых колебаний, создаваемых трубами орга́на.
И на самом деле мы можем установить величину колебаний плотности на основе данных о частотных резонансах в ранней Вселенной. Представьте, что вскоре после Большого взрыва вся материя рассредоточилась по Вселенной равномерно. Она начала сжиматься, но давление света вызвало колебания. Эти колебания прекратились лишь в эпоху рекомбинации, когда фотоны отделились от барионов. Максимальное давление в орга́нной трубе отклоняется на четверть колебания от давления окружающей среды, то есть давления света в ранней Вселенной. Таким образом, фундаментальное колебание в ранней Вселенной – это колебание, которое дало шанс первичному сгустку сжаться один раз от исходного состояния до эпохи рекомбинации, когда колебания прекратились. Этот первый обертон сжался и