Теория большого взрыва

Так дважды альтернативная теория Большого взрыва стала общепринятой. Школьников учат, что Хаббл открыл взрыв Вселенной (а не зависимость красного смещения от расстояния), а космическое микроволновое излучение советского астрофизика Иосифа Самуиловича Шкловского становится реликтовым. Модель горячей Вселенной закладывается в сознание людей.

§3. Критика теории Большого Взрыва

Природа человека такова, что стоит только в обществе укрепиться очередной бесспорной идее, как сразу находятся желающие поспорить. Критику стандартной космологии можно условно разделить наконцептуальную, указывающую на несовершенство ее теоретических основ, и астрономическую, приводящую конкретные трудные для объяснения факты и наблюдения.

Главная зацепка—общая теория относительности (ОТО). Эйнштейн описал гравитацию, отождествив ее с кривизной пространства-времени. Однако изОТО следует существование черных дыр, странных объектов, в центре которых материя сжата в точку бесконечной плотности. В физике появление бесконечности всегда указывает на границы применимости теории. При сверхвысоких плотностях ОТО должна быть заменена квантовой гравитацией. Но все попытки ввести в ОТО принципы квантовой физики провалились, что заставляет физиков искать альтернативные теории гравитации.

Десятки теорий были построены в XX веке. Большинство не выдержали экспериментальной проверки. Но несколько теорий пока держатся. Среди них, например, полевая теория гравитации академика Логунова, в которой нет искривленного пространства, не возникает сингулярностей, а значит, нет ни черных дыр, ни Большого взрыва. Везде, где можно экспериментально проверить предсказания таких альтернативных теорий гравитации, они совпадали с предсказаниями ОТО, и лишь в экстремальных случаях — при сверхвысоких плотностях или на очень больших космологических расстояниях — их выводы различаются. А значит, иными должны быть строение и эволюция Вселенной.

Когда-то Иоганн Кеплер, пытаясь  теоретически объяснить соотношения  радиусов планетных орбит, вкладывал  друг в друга правильные многогранники. Описанные и вписанные в них  сферы казались ему самым прямым путем к разгадке устройства мироздания — «Космографической тайны», как  назвал он свою книгу. Позднее, опираясь на наблюдения Тихо Браге, он отбросил древнюю идею небесного совершенства окружностей и сфер, сделав вывод, что планеты движутся по эллипсам.

Многие современные астрономы  тоже скептически относятся к  умозрительным построениям теоретиков и предпочитают черпать вдохновение, глядя в небо. А там видно, что  наша Галактика, Млечный Путь, входит в состав небольшого скопления, называемого  Местной группой галактик, которое  притягивается к центру огромного  облака галактик в созвездии Девы, известного как Местное сверхскопление. Еще в 1958 году астроном Джордж Абель  опубликовал каталог 2712 скоплений  галактик северного неба, которые, в  свою очередь, группируются в сверхскопления. Это непохоже на однородно заполненную веществом Вселенную. Но без однородности в модели Фридмана не получить режим расширения, согласующийся с законом Хаббла. И поразительную гладкость микроволнового фона тоже не объяснить.

На небольших по космологическим меркам расстояниях — в сотню размеров Млечного Пути — доминирует притяжение между галактиками: они движутся по орбитам, сталкиваются и сливаются. Но, начиная с определенного масштаба расстояний, Вселенная просто обязана стать однородной.

В 1970-х годах наблюдения еще не позволяли с уверенностью сказать, существуют ли структуры размером больше пары десятков мегапарсек, и  слова «крупномасштабная однородность Вселенной» были основой космологии Фридмана. Но уже к началу 1990-х на границе созвездий Рыб и Кита открыли комплекс сверхскоплений размером около 50 мегапарсек, в который входит Местное сверхскопление. В созвездии Гидры обнаружили Великий Аттрактор размером 60 мегапарсек, а потом и позади него огромное сверхскопление Шепли втрое большего размера. Это не единичные объекты. Тогда же астрономы описали Великую Стену—комплекс протяженностью 150 мегапарсек, и список продолжает пополняться.

К концу века производство 3D-карт Вселенной поставили на поток. За одну экспозицию на телескопе получают спектры сотен галактик. Для этого  робот-манипулятор по известным  координатам расставляет в фокальной  плоскости широкоугольной камеры Шмидта сотни оптических волокон, передающих свет каждой отдельной галактики  в спектрографическую лабораторию. В самом большом на сегодня  обзоре SDSS уже определены спектры  и красные смещения миллиона галактик. А самой крупной известной  структурой во Вселенной остается пока Великая Стена Слоуна, открытая в 2003 году по данным предыдущего обзора CfA-II. Ее протяженность составляет 500 мегапарсек — это 12% расстояния до горизонта  фридмановской Вселенной.

Наряду с концентрациями материи открыто также много  пустынных областей пространства —  войдов, где нет ни галактик, ни даже загадочной темной материи. Многие из них превосходят по размерам 100 мегапарсек, а в 2007 году американская Национальная радиоастрономическая обсерватория сообщила об открытии Великого Войда поперечником около 300 мегапарсек. Само существование  таких грандиозных структур бросает  вызов стандартной космологии, в  которой неоднородности развиваются  за счет гравитационного скучивания вещества из ничтожных флуктуаций плотности, оставшихся после Большого взрыва. При наблюдаемых собственных  скоростях движения галактик им за все время жизни Вселенной  не пройти больше десятка-другого мегапарсек. Все это не позволяет объяснить концентрацию вещества размером в сотни мегапарсек.

Следовательно, модель Фридмана не объясняет формирования даже небольших структур — галактик и скоплений, если не добавить к ней одну особую ненаблюдаемую сущность, придуманную в 1933 году Фрицем Цвикки. Изучая скопление в созвездии Волос Вероники, он обнаружил, что его галактики движутся так быстро, что должны легко улетать прочь. Цвикки предположил, что масса скопления много больше, чем оценивалась по светящимся источникам. Так в астрофизике появилась скрытая масса, которую сегодня называют темной материей. Без нее не описать динамику галактических дисков и скоплений галактик, искривление света при прохождении мимо этих скоплений и само их происхождение.

По оценкам, темной материи  в 5 раз больше, чем обычной светящейся. Уже выяснено, что это не темные планетоиды, не черные дыры и не какие-либо известные элементарные частицы. Вероятно, темная материя состоит из каких-то тяжелых частиц, участвующих только в слабом взаимодействии.

Недавно итало-российский спутниковый  эксперимент PAMELA зарегистрировал в  космических лучах избыток энергичных позитронов. Астрофизики не знают  подходящего источника позитронов и предполагают, что это, возможно, продукты каких-то реакций с частицами  темной материи. Если так, то под угрозой  может оказаться теория первичного нуклеосинтезаГамова, ведь она не предполагала присутствия в ранней Вселенной  огромного числа непонятных тяжелых  частиц.

Загадочную темную энергию  добавили в стандартную модель Вселенной на рубеже XX и XXI веков. Незадолго до этого был опробован новый метод определения расстояний до далеких галактик. «Стандартной свечой» в нем служили взрывы сверхновых звезд особого типа, которые в самом разгаре вспышки всегда имеют почти одинаковую светимость. По их видимому блеску определяют расстояние до галактики, где случился катаклизм. Все ждали, что измерения покажут небольшое замедление расширения Вселенной под действием самогравитации ее вещества.

Однако астрономы обнаружили, что расширение Вселенной, наоборот, ускоряется. Темная энергия была придумана, чтобы обеспечить всеобщее космическое отталкивание, раздувающее Вселенную. Фактически она неотличима от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна и от С-поля из теории стационарной Вселенной БОнди — Голда — Хойла, в прошлом главного конкурента космологии Фридмана — Гамова. Так искусственные умозрительные идеи мигрируют между теориями, помогая им выживать под давлением новых фактов.

Если у первоначальной модели Фридмана был только один параметр, определяемый из наблюдений (средняя  плотность вещества Вселенной), то с  появлением «темных сущностей» их число заметно выросло. Это не только пропорции «черной материи», но также произвольно предполагаемые их физические свойства, например способность к участию в различных взаимодействиях.

За последние 100 лет создано  великое множество космологических  моделей. Если раньше каждая из них  воспринималась как уникальная физическая гипотеза, то сейчас отношение стало  более прозаическим. Чтобы построить  космологическую модель, нужно заняться тремя вещами: теорией гравитации, от которой зависят свойства пространства, распределением вещества и физической природой красного смещения, из которой  выводится зависимость: расстояние — красное смещение Rfe. Тем самым задается космография модели, позволяющая рассчитать разные эффекты: как меняются с расстоянием (а точнее, с красным смещением) блеск «стандартной свечи», угловой размер «стандартного метра», длительность «стандартной секунды», поверхностная яркость «эталонной галактики».

  В 2006 году международная  группа из трех десятков астрономов  проверяла, растягиваются ли во  времени взрывы далеких сверхновых  звезд, как того требует модель  Фридмана. Они получили полное  согласие с теорией: вспышки  удлиняются ровно во столько  раз, во сколько уменьшается  частота приходящего от них  света — замедление времени  в ОТО одинаково сказывается  на всех процессах. Этот результат  мог бы объяснить несостоятельность теории стационарной Вселенной (первым лет 40 назад Стивен Хокинг назвал космический микроволновый фон).

В 2009 году американский астрофизик Эрик Лернер опубликовал прямо противоположные результаты, полученные другим методом. Он использовал тест поверхностной яркости галактик, придуманный Ричардом Толманом еще в 1930 году, чтобы сделать выбор между расширяющейся и статической Вселенными. В модели Фридмана поверхностная яркость галактик очень быстро падает с ростом красного смещения, а в евклидовом пространстве с «усталым светом» ослабление идет гораздо медленнее. На z = 1 (где, по Фридману, галактики примерно вдвое моложе, чем вблизи нас) разница получается 8-кратной, а на z = 5, что близко к пределу возможностей космического телескопа «Хаббл», — более чем 200-кратной. Проверка показала, что данные почти идеально совпадают с моделью «усталого света» и сильно расходятся с фридмановской.

В наблюдательной космологии накоплено еще много данных, заставляющих сомневаться в корректности доминирующей космологической модели, которую  после добавления темной материи  и энергии стали называть LCDM (Lambda — ColdDarkMatter). Потенциальную проблему для LCDM представляет быстрый рост рекордных  красных смещений обнаруживаемых объектов. Сотрудник японской Национальной астрономической  обсерватории МасанориАйи (Masanorilye) изучил, как росли рекордные открытые красные смещения галактик, квазаров и гамма-всплесков (мощнейших взрывов  и самых далеких маяков в наблюдаемой  Вселенной). К 2008 году все они уже  преодолели рубеж z = 6, причем особенно быстро росли рекордные z гамма-всплесков.

В 2009 году ими был установлен очередной рекорд: z = 8,2. В модели Фридмана это соответствует возрасту около 600 миллионов лет после Большого взрыва и на пределе вписывается  в существующие теории образования  галактик: еще немного, и им просто не останется времени на формирование. Между тем прогресс в показателях z, похоже, не собирается останавливаться  — все ждут данных с новых космических  телескопов «Гершель» и «Планк», запущенных весной 2009 года. Если появятся объекты с z = 15 или 20, это станет полномасштабным  кризисом LCDM.

На другую проблему еще  в 1972 году обратил внимание Алан Сендидж, один из наиболее уважаемых космологов-наблюдателей. Оказывается, закон Хаббла слишком  хорошо соблюдается в ближайших  окрестностях Млечного Пути. В пределах нескольких мегапарсек от нас вещество распределено крайне неоднородно, однако галактики словно бы не замечают этого. Их красные смещения в точности пропорциональны  расстояниям, кроме тех, что оказались  совсем близко к центрам крупных  скоплений. Хаотические скорости галактик как будто чем-то гасятся. Проводя  аналогию с тепловым движением молекул, этот парадокс иногда называют аномальной холодностью хаббловского потока. Исчерпывающего объяснения этого парадокса в LCDM нет, зато он получает естественное объяснение в модели «усталого света».

Александр Райков из Пулковской обсерватории выдвинул гипотезу, что  красное смещение фотонов и гашение  хаотических скоростей галактик может быть проявлением одного и  того же космологического фактора. И  та же причина, возможно, объясняет  аномалию в движении американских межпланетных зондов «Пионер-10» и «Пионер-11». Покидая  Солнечную систему, они испытывали небольшое необъяснимое торможение, численно как раз такое, как нужно  для объяснения холодности хаббловского потока.

Ряд космологов пытаются доказать, что вещество во Вселенной распределено не однородно, а фрактально. Это значит, что в каком бы масштабе мы ни рассматривали Вселенную, в ней  всегда обнаружится чередование  кластеров и пустот соответствующего уровня. Первым эту тему поднял в 1987 году итальянский физик Лучано Пиотронейро. А несколько лет назад петербургский  космолог Юрий Барышев и ПеккаТеерикорпи  из Финляндии опубликовали обширную монографию «Фрактальная структура  Вселенной».

В ряде научных статей утверждается, что в обзорах красных смещений фрактальность распределения галактик уверенно выявляется до масштаба 100 мегапарсек, а неоднородность прослеживается до 500 мегапарсек и более. А недавно  Александр Райков совместно с  Виктором Орловым из СПбГУ обнаружили признаки фрактального распределения  в каталоге гамма-всплесков на масштабах  до z = 3 (то есть по фридмановской модели в большей части видимой Вселенной). Если это подтвердится, космологии предстоит серьезный пересмотр.

Итак, на сегодня не существует целостной и хорошо проработанной теории строения и эволюции Вселенной, отличной от стандартной LCDM. Альтернативная космология состоит из ряда претензий, которые ставятся сторонникам общепринятой концепции, а также набора перспективных идей разной степени проработанности, которые могут пригодиться, если появится сильная альтернативная исследовательская программа.

Но на пути новых серьезных разработок множество проблем. Вгрантовыхкомитетах, в редакциях научных журналов и в комиссиях по распределению наблюдательного времени телескопов большинство – сторонники стандартной космологии. Они блокируют выделение ресурсов на работы, лежащие вне стандартной космологии, считая это бесполезной тратой средств. Несколько лет назад напряжение достигло такого накала, что группа специалистов-космологов выступила в журнале NewScientist с «Открытым письмом к научному сообществу». В нем объявлялось об учреждении международной общественной организации AlternativeCosmologyGroup (www. cosmology. info), которая с тех пор периодически проводит собственные конференции, но пока не смогла существенно изменить ситуацию.