Астероиды. Кометы. Метеороиды . Поиск начал

Спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная выросла примерно до одной тысячной сегодняшних размеров. Температура газа понизилась, и протоны начали захватывать электроны, образуя атомы. Этот процесс, называемый рекомбинацией, коренным образом изменил обстановку. Фотоны практически перестали сталкиваться с заряженными частицами и впервые получили возможность свободно распространяться в пространстве. Так картина горячих и холодных областей, созданная звуковыми волнами, навеки застыла в структуре КМФ.
Тогда же вещество освободилось от давления излучения, препятствовавшего образованию сгустков материи, которые под действием сил тяготения уплотнились и со временем стали звездами и галактиками. Современный уровень вариаций температуры КМФ, составляющий 0,001%, в точности соответствует амплитуде, необходимой для образования крупномасштабных структур, которые мы видим сегодня. Что же послужило источником первичного возмущения, породившего звуковые волны? Вопрос непростой. Наблюдая за развитием Вселенной с самого начала, мы могли бы видеть лишь пространство, ограниченное так называемым горизонтом, радиус которого равен расстоянию, которое успел пройти свет с момента Большого взрыва. Поскольку информация не может передаваться быстрее света, горизонт определяет сферу влияния любого физического механизма.
Если, пытаясь выяснить происхождение структур определенного размера, мы станем двигаться в прошлое, горизонт будет сужаться и в конце концов станет меньше, чем интересующие нас образования. Следовательно, ни один физический процесс, подчиняющийся закону причинности, не поможет нам разобраться в их генезисе (так называемая проблема горизонта).
Согласно теории инфляции, ускоренное расширение Вселенной сразу после Большого взрыва происходило под влиянием особого поля - ин-флатона. Таким образом, сегодня мы видим лишь малую часть того, что наблюдалось до инфляции. Квантовые флуктуации инфлатона, усиленные быстрым расширением, привели к появлению начальных

возмущений, приблизительно одинаковых по амплитуде как в малых, так и в больших областях пространства. Так в первичной плазме возникли пространственные колебания плотности энергии. Картина звуковых волн, застывшая в КМФ, подтверждает теорию инфляции. Поскольку все возмущения плотности появились одновременно в первый же момент творения, звуковые волны оказались синхронизированными по фазе. В результате сформировался спектр с обертонами, как у музыкального инструмента.
Если дуть в трубу с открытыми концами, то основная частота звука будет соответствовать волне (моде колебаний) с максимальным смещением воздуха на концах трубы и минимальным в ее середине (см. верхний рис. на стр. 38). Длина волны основной моды равна удвоенной длине трубы. Но в звуке будут присутствовать обертоны, соответствующие волнам, которые вдвое, втрое, вчетверо и т.д. короче основной волны. Иными словами, частоты обертонов (высшие гармоники) равны основной частоте (первой гармонике), умноженной на 2, 3, 4 и т.д. Именно обертоны обогащают звук и позволяют отличить скрипку Страдивари от рядового инструмента. Анализируя звук в ранней Вселенной, мы должны рассматривать волны, колеблющиеся во времени, а не в пространстве (см. рис. на стр. 38).
Длине трубы будет соответствовать промежуток времени, в течение которого первичная плазма была заполнена звуковыми волнами, исчезнувшими во время рекомбинации. Предположим, что в начале инфляции в некоторой области пространства температура плазмы была максимальной (наибольшее положительное смещение). В процессе распространения звуковых волн ее плотность стала колебаться, и температура устремилась сначала к среднему (нулевое смещение), а затем к минимальному значению (наибольшее отрицательное смещение).
Волна, благодаря которой температура в данной области упала до минимума точно ко времени рекомбинации, является основной модой ранней Вселенной. Обертоны с вдвое, втрое и т.д. большими частотами в этот момент обеспечивают максимальные смещения, положительные или отрицательные, в меньших областях пространства. Анализируя результаты наблюдений реликтового излучения, космологи построили график зависимости величины температурных отклонений от размера горячих и холодных областей, т.е. энергетический спектр (см. стр. 48). Оказалось, что угловой размер зон с наибольшими вариациями температуры составляет около одного градуса. Во время рекомбинации их средний диаметр

не превышал 1 млн. световых лет, но в ходе тысячекратного расширения Вселенной увеличился примерно до 1 млрд. световых лет.
Наличие в энергетическом спектре нескольких ярко выраженных пиков, из которых первый и самый высокий соответствует основной моде, а все последующие -обертонам, подтверждает гипотезу об одновре- менности возникновения звуковых волн. Если бы возмущения создавались непрерывно во времени, то спектр не был бы столь гармоничен. Согласно теории инфляции амплитуды звуковых волн были примерно одинаковыми при любых пространственных масштабах.
Однако после третьего пика наблюдается резкий спад спектра. Дело в том, что произошло затухание коротких звуковых волн.
Акустическая волна не может распространяться, если ее длина меньше средней длины свободного пробега частиц, из которых состоит газ или плазма. При нормальном атмосферном давлении молекулы, из которых состоит воздух, между двумя соударениями успевают пролететь примерно 10-5 см. В первичной плазме накануне рекомбинации это расстояние составляло примерно 10 тыс. световых лет. (Плотность Вселенной в те времена была большой только по сравнению с современным значением, которое с тех пор уменьшилось в миллион раз.)
После того, как Вселенная расширилась в 1000 раз, оно увеличилось до 10 млн. световых лет. Поэтому амплитуды пиков энергетического спектра, которые соответствуют размерам, не превышающим 10 таких расстояний, быстро убывают. Как музыканты отличают скрипку мирового класса от обычной по богатству обертонов, так и космологи определяют форму и состав Вселенной, анализируя спектр первичных звуковых волн. Карта КМФ помогает оценить угловые размеры холодных и горячих областей небесной сферы. А поскольку скорость, с которой распространялся звук в первичной плазме, известна, ученые смогли вычислить длину основной моды акустических колебаний на момент начала рекомбинации. Также стало известно, что фотоны реликтового излучения, достигшие Земли, прошли около 45 млрд. световых лет. (Хотя они двигались в течение 14 млрд. лет, расширение Вселенной удлинило их путь.) Таким образом, космологи получили полную информацию о треугольнике, образованном волной, и убедились, что сумма его углов равна 180°.
Значит, пространство нашей Вселенной практически плоское и подчиняется законам Евклидовой геометрии. Отсюда следует, что средняя плотность энергии в нем близка к так называемому критическому значению и составляет около 10-29 г/см3. Интересные сведения о разделении вещества и энергии несут в себе амплитуды обертонов. Если поведение обычных звуковых волн определяется исключительно давлением в газе, то в молодой Вселенной заметное влияние на них оказывала гравитация.
Сила тяготения сжимала вещество в более плотных областях и в зависимости от фазы колебаний усиливала или ослабляла сжатия и разрежения. Анализируя модуляцию волн, можно определить мощность гравитации, которая, в свою очередь, позволяет судить о материально-энергетическом составе среды. На заре мироздания, как и ныне, существовало обычное вещество, состоящее в основном из бари-онов - протонов и нейтронов, и холодная темная материя, которая создает собственное гравитационное поле, но практически не взаимодействует с обычным веществом. Вклад в массу первичного газа и, следовательно, в тяготение вносило как обычное, так и

темное вещество, но сжатию и разрежению в звуковых волнах подвергалось только первое. При рекомбинации основная вол- на «застыла» в положении, когда в областях более высокой плотности газа гравитация усиливала сжатие обычного вещества (см. стр. 42).
Однако первый обертон с вдвое меньшей длиной волны был «заморожен» в противоположной фазе, когда тяготение сжимало плазму, а давление газа расширяло ее. В результате первая гармоника вызвала меньшие отклонения температуры, чем основная волна. Поэтому второй пик энергетического спектра ниже первого. По соотношению их высот можно оценить, как в ранней Вселенной соотносились сила гравитации и давление излучения.
По имеющимся данным, ко времени рекомбинации плотности энергий барионов и фотонов были примерно одинаковыми и составляли около 5% современного критического значения.
Это в согласуется с результатами расчетов, основанных на изучении ядерных реакций синтеза легких элементов, протекавших в юной Вселенной. Однако в общей теории относительности утверждается, что тяготение в равной мере присуще и веществу, и энергии. Усиливались ли отклонения температуры гравитационным полем фотонов? Безусловно. Однако его воздействие уравновешивалось другим фактором: после рекомбинации кванты реликтового излучения из более плотных областей теряли больше энергии, чем фотоны из менее плотных, поскольку им приходилось «выбираться» из более глубоких гравитационных ям.
Речь идет об эффекте Сакса-Вольфа, который уменьшает амплитуду отклонений температуры КМФ, в точности компенсируя ее усиление полем тяготения света. В областях, которые были слишком велики и потому не подвержены акустическим колебаниям (их современные угловые размеры превышают 10), отклонения температуры обусловлены исключительно эффектом Сакса-Вольфа. Поэтому, как это ни парадоксально, наиболее крупные горячие зоны на карте КМФ соответствуют менее плотным районам. Наконец, изучение КМФ позволяет оценить долю темного вещества во Вселенной. Гравитационного поля одних барионов недостаточно, чтобы модулировать отклонения температуры за пределами первого пика энергетического спектра. Чтобы гравитационные потенциальные ямы были достаточно глубокими, необходимо большое количество холодной темной материи.
Измерив соотношения трех первых спектральных пиков, космологи установили, что ее плотность примерно в пять раз превышает плотность барионного вещества и составляет примерно 25% от нынешнего критического значения.