Рис. 5. На данном рисунке различные кривые изображают зависимость предсказанных количеств легких элементов гелия, дейтерия и лития, возникших в процессе нуклеосинтеза в первые несколько минут существования Вселенной, от общей массы обычного барионного вещества. Общая масса барионов записана в виде доли критической плотности, поэтому, чтобы Вселенная была замкнутой, необходимо значение, превышающее единицу. Поскольку разрешенные значения общей массы барионов гораздо меньше общей массы, наблюдаемой в нашей Вселенной, значит, должно присутствовать еще какое-то небарионное вещество[4]
Темная материя
Достаточно узкий разрешенный диапазон значения общего числа барионов имеет важные следствия для содержимого Вселенной. Барионным является вещество, образованное протонами и нейтронами; это вещество, с которым мы встречаемся постоянно: пылинки, люди, да и сама Земля. Теперь, если, согласно теории нуклеосинтеза, это обычное вещество составляет менее восьми процентов общей массы Вселенной (в случае плоской Вселенной), что составляет остальную массу? Ответ — темная материя. Роль этой экзотической субстанции становится все более важной по мере старения нашей Вселенной.
Для оценки общего количества массы во Вселенной используются несколько независимых методов. Рассмотрим сначала массу, содержащуюся в звездах. Звезды представляют собой наиболее очевидный источник массы, причем их относительно легко обнаружить благодаря свету, который они испускают, даже те, которые находятся в отдаленных галактиках. Более того, свойства звезд достаточно хорошо изучены. Однако общая масса звезд во Вселенной, судя по всему, удивительно мала: менее одного процента от плотности замкнутой Вселенной. В свете наблюдений за звездами и теории нуклеосинтеза Вселенная должна содержать в барионах в два-восемь раз больше массы, чем наблюдается в обычных звездах. В результате некоторая доля барионного вещества во Вселенной должна существовать в темных формах, испускающих очень малое количество излучения. Другими словами, во Вселенной должна существовать некая темная барионная материя, кроме любой другой темной материи, образованной из более экзотического, небарионного, материала.
Переходя на более крупные масштабы, мы можем оценить, какое количество массы существует в галактиках. Астрономы измеряют скорость, с которой звезды вращаются по орбитам вокруг центров других галактик. С помощью этих измеренных скоростей и законов гравитации мы можем оценить, сколько там содержится вещества. Чем больше измеренная орбитальная скорость, тем больше должна быть масса. Эта процедура расчета предполагает, что большая часть массы, содержащейся в галактиках, находится во внешних гало галактик и что эти гало содержат, вероятно, в сотни раз больше массы, чем сами звезды. Таким образом, общая масса гало галактик объясняет около десяти процентов плотности замкнутой Вселенной. Эта доля массы немного превышает ту, что теория нуклеосинтеза разрешает для барионной формы. В результате мы весьма склонны предположить, что некоторая доля этой массы в галактических гало существует не в виде обычного барионного вещества, а в некой более экзотической форме.
С помощью астрономических наблюдений ученые также определили количество массы, распределенной в областях размером со скопления галактик. В этом случае мы измеряем, насколько быстро сами галактики вращаются по орбите вокруг центров скоплений. Помимо этого мы можем измерить, как искривляются лучи света, проходящие через эти скопления. Несмотря на некоторую присущую им неопределенность, эти измерения указывают на то, что в скоплениях галактик сосредоточено приблизительно тридцать процентов массы, необходимой для того, чтобы Вселенная была замкнутой. Это гигантское хранилище вещества в 4-15 раз тяжелее, чем общее количество барионного вещества, а следовательно, значительная доля вещества во Вселенной должна находиться в небарионной форме. Общая тенденция такова: чем большие объемы Вселенной мы «взвешиваем», тем сильнее темная материя дает почувствовать свое присутствие.
Но что же тогда представляет собой эта темная материя? Несмотря на то, что однозначного ответа мы пока не знаем, у нас есть ряд свидетельств, которые наводят на мысль о том, что частицы темной материи должны подвергаться слабому взаимодействию. Другими словами, эти частицы чувствуют только гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. Они не восприимчивы ни к сильному взаимодействию, ни к электромагнитной силе. Это требование, вкупе с фактом сохранения этих частиц до сегодняшнего дня, значительно ограничивает разрешенный диапазон масс для частиц темной материи.
Массы этих частиц распадаются на две разные категории. Первая включает в себя частицы с массами, в 10-100 раз превышающими массу протона. Столь тяжелые частицы движутся относительно медленно, и их обычно называют холодной темной материей. Вторая возможная категория содержит более легкие частицы, масса которых примерно в миллиард раз меньше. Эти легкие частицы, которые при определении их количества обыкновенно имеют релятивистские скорости, называют горячей темной материей. В нашей Вселенной могут содержаться оба типа частиц темной материи, но измерить популяции этих частиц пока не получается. Однако есть надежда, что проводящиеся сейчас эксперименты прольют хоть какой-то свет на этот вопрос с темной материей.
В настоящее время слабо взаимодействующие частицы темной материи воздействуют на Вселенную, главным образом, через свое гравитационное притяжение. Благодаря гравитации темная материя способствует образованию галактик и их скоплений и помогает направлять их современное движение. Вследствие того, что время, которое требуется темной материи для взаимодействия, превышает настоящий возраст Вселенной, сейчас эти частицы, в основном, инертны. Однако, как мы увидим, по мере дальнейшего старения Вселенной взаимодействия частиц темной материи начинают играть все более важную роль. В какой-то момент времени далекого будущего взаимодействия этих частиц станут основным источником энергии для всей Вселенной.
Глава 2
Эпоха звезд
6 < η < 14
Звезды рождаются, эволюционируют, питая Вселенную энергией, полученной из ядерных реакций, а затем умирают, мгновенно и ярко вспыхивая или медленно угасая.
11 июля 1991 года, Эль-Пескадеро, штат Нижняя Калифорния, Южная Мексика:
Частичное солнечное затмение, которое, в конце концов, сменилось полным, продолжалось больше часа. Несмотря на то, что закрывалась все большая часть Солнца, это происходило настолько медленно, что глаза успевали привыкнуть. Уменьшение дневного света стало заметно, лишь когда закрылось более девяноста процентов солнечного диска — за пятнадцать минут до того момента, как наступило полное затмение.
Из-за уменьшившегося количества солнечного света, попадавшего на участок Земли размером с диаметр Луны, то июльское утро было необычайно прохладным для Мексики. К десяти часам утра температура поднялась всего лишь до отметки в семьдесят градусов[5], а по мере увеличения затемненной поверхности Солнца начала медленно снижаться. Когда дневной свет, наконец, заметно ослаб, воздух казался почти холодным. Поверхность океана выглядела тусклой и унылой, но не имела того синевато-серого отблеска, который появляется в облачный день Кучевые облака неслись над отдаленной цепью гор, напоминая быструю смену кадров, возникающую при перемотке пленки.
Внезапно дюны покрылись странной темной рябью, какая бывает на дне бассейна в полдень. Рябь, покачиваясь, медленно перемещалась по песку Эти призрачные полоски, одно из редчайших природных явлений, возникли в результате особого сочетания растущей части Солнца и необычной турбулентности верхних слоев атмосферы. Полоски сохранялись менее минуты, после чего словно испарились. Ветер усилился.
В оставшуюся минуту небо темнело с каждой секундой. Воздух внезапно наполнился летучими мышами, которые, обманувшись неестественными сумерками, вылетели из своих укрытий. Солнце, случайно попавшееся на глаза смельчаку, на миг производило впечатление звездообразной точки. Когда до полного затмения оставалось секунд пять, его черная тень пронеслась над водой со скоростью, превышающей тысячу миль в час.
На смену звездному образу Солнца пришел диск Луны, занявший его место. Последняя, быстрая, сверкающая вспышка света промелькнула, когда солнечный свет пробился через впадину лунного лимба. Наступило полное затмение, показались звезды, а расплывчатая электрическая голубая корона дугой отделилась от черного диска.