Она тёмная и плоская

До нашей Вселенной существовала другая, а та, в которой мы живём, — плоская. Эти два открытия 2010 года перевернули представления человека об эволюции космоса. Учёные доказали, что масса Вселенной на 70 процентов состоит из таинственной тёмной энергии, которая ускоряет её расширение. Если обе теории подтвердятся, это может стать новым шагом в познании мира.

Первое открытие было сделано одним из самых блестящих физиков нашего времени — Роджером Пенроузом из Оксфордского университета. Он задался вопросом: а что предшествовало Большому взрыву, в результате которого согласно доминирующей теории образовались время, материя и пространство?

В результате проведённых исследований Пенроуз обнаружил доказательства существования другой Вселенной, предшествовавшей нашей. И вообще, по мнению учёного, развитие мироздания происходит циклически: вселенные рождаются, умирают и вновь рождаются из своего же пепла, проживая периоды, которые физик назвал «эонами». Его теория позволяет объяснить, почему изначально Вселенная была очень упорядоченной, что позволило сформироваться очень сложным объектам.

Второе исследование, опубликованное в Nature, провели Кристиан Маринони и Эдлин Буцци, французские физики из Университета Прованса. Оно возвращает нас к давно забытой теории Альберта Эйнштейна о том, что наша Вселенная плоская. В своё время Эйнштейн отказался от неё, посчитав ошибочной. Однако именно такая форма Вселенной позволила объяснить существование тёмной энергии — главной движущей силы Вселенной. Французские исследователи доказали, что масса Вселенной на 72 процента состоит из этой энергии, которая ускоряет её расширение.

Сегодня доминирует теория о том, что Вселенная возникла 13 700 миллионов лет назад из одной точки большой плотности, которая в результате Большого взрыва в первые мгновения существования представляла собой «горячий суп» из не связанных в атомы свободных частиц. Температура этого «супа» составляла тысячи миллионов градусов (эти условия были недавно с успехом воспроизведены в Большом адронном коллайдере). Зародившись, Вселенная стала быстро расширяться и охлаждаться, частицы начали формировать первые простейшие атомы (водорода), а силы гравитации на протяжении долгого времени работали на то, чтобы объединить атомы в материю звёзд и галактик.

Один из наиболее актуальных вопросов — вопрос о том, почему после Большого взрыва темп расширения Вселенной не только не замедлился, но увеличивается? В результате учёные пришли к выводу, что это в большой степени зависит от массы содержащегося в ней вещества. Если общая масса вещества Вселенной достаточна для того, чтобы сила гравитации (которая тем больше, чем больше масса) преодолела первичную центробежную силу Большого взрыва, тогда расширение Вселенной будет остановлено и даже может привести к её свёртыванию — коллапсу, который учёные называют Большим хрустом. Однако если общая масса недостаточна, ничто не сможет остановить расширение Вселенной, она будет стремиться стать большой чёрной пустотой, где в конце концов погаснет последняя звезда.

Осталось измерить массу Вселенной, однако наука встретилась здесь со многими сюрпризами. Первый состоит в том, что обычное вещество, из которого состоят галактики, звёзды и планеты и которое существует как свет и другое измеряемое излучение, составляет всего 5 процентов от всей массы Вселенной, что абсолютно недостаточно, чтобы затормозить её разбег. Другие 25 процентов соответствуют другому «типу материи», который не может напрямую быть обнаружен нашими приборами, поскольку ничего не излучает. Эта материя известна под именем «тёмная». Мы знаем, где она находится (так называемые чёрные дыры), потому что можем измерить изменения гравитации, но никто никогда не смог «увидеть» её. Можно лишь строить предположения насчёт того, из каких частиц она может состоять.

Действительно, а какими свойствами должны обладать эти частицы? Совершенно очевидно, они не должны распадаться на другие, более лёгкие, иначе им давно пришлось бы распасться за всё время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более лёгкие частицы (например, нейтрино и фотоны).

Далее, частицы тёмной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Собственно говоря, на этом знания учёных об этих интересных частицах заканчиваются и начинается непаханое поле догадок и предположений.

Итак, с тёмной материей, составляющей те самые 25 процентов, хоть что-то понятно. Но что же представляют собой остальные 70 процентов? Учёные не в состоянии пока дать определённого ответа на этот вопрос и используют термин «тёмная энергия». Однако про неё известно ещё меньше, чем про тёмную материю.

Самое необычное во всём этом то, что тёмная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Именно благодаря этому расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого тёмная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа тёмной энергии — главная загадка фундаментальной физики XXI века. Хотя один кандидат на эту роль уже имеется — обычный, известный всем вакуум. Правда, его природа также до сих пор остаётся весьма загадочной.

Именно эта сила предположительно определяет увеличение скорости разбега Вселенной. Именно эту тёмную энергию исследовали Пенроуз и учёные из Франции. Пенроуз проанализировал данные, полученные со спутника WMAP (который измерял микроволновое излучение, пронизывающее всю Вселенную и являющееся следом Большого взрыва). Он обнаружил структуры распределения в виде концентрических кругов, которые можно объяснить как следы существования других вселенных (наложение старого излучения на новое). Это означает, что наша Вселенная одна в череде многих и придёт время, когда она умрёт и возродится в результате нового Большого взрыва. Перед «смертью» Вселенная станет «гладкой и линейной».

Этот вывод подтверждают Буцци и Маринони, которые доказали, измеряя искажения света, идущего от 500 пар галактик, что мы живём в плоской Вселенной, а не изогнутой или сферической, как многие думали. Отталкиваясь от постулата, что геометрические измерения можно использовать для определения состава Вселенной, учёные изучили распределение взаимной ориентации пар галактик, обращающихся друг вокруг друга. Во Вселенной без тёмной энергии это распределение было бы сферически симметричным, то есть количество пар, ориентированных в любом из направлений, было бы одинаковым.

Наблюдения показали, что на самом деле чем дальше от Земли находятся пары галактик, тем более асимметричным было распределение их ориентации, — больше пар было расположено вдоль луча обзора от Земли. Кроме того, если бы Вселенная была сферической или изогнутой, то мы видели бы изображение галактик деформированным, как если бы смотрелись в металлический мяч и видели там своё искажённое лицо. В плоском пространстве искажений нет, что и было отмечено.