Белые карлики. Будущее Вселенной

Как уже было отмечено, ученые приступили к поиску угловых температурных флуктуаций реликтового излучения практически сразу после его открытия. Долгое время он практически не дал ничего за исключением демонстрации эфирного дрейфа. Это было непонятно и даже тревожно. Тогда считали, что вещество Вселенной почти целиком состоит из барионов (протонов и ионизированных ядер гелия) и электронов, причем последние по малости своей массы практически не должны влиять на космические гравитационные поля. Теория утверждала, что в эпоху красного смещения, равного 1100, барионы были распределены в пространстве с достаточно большими флуктуациями плотности — на уровне 0,1 % (при меньших флуктуациях к нашему времени скопления и сверхскопления галактик просто не смогли бы возникнуть). До наступления рекомбинации фотоны и ионы сильно взаимодействовали друг с другом, хотя и не прямо, а посредством электронного газа (фотоны рассеивались на свободных электронах, которые воздействовали на движение ионов благодаря кулоновскому электростатическому притяжению). Поэтому плотность и температура фотонов должны были флуктуировать пропорционально плотности барионов. Коль скоро относительная величина колебаний температуры фотонного газа после рекомбинации не изменилась, она и сегодня должна оставаться на уровне десятой доли процента — то есть составлять милликельвины.

Такие флуктуации искали годами, но не могли обнаружить. Интересно, что в середине 1980-х гг. это обстоятельство значительно укрепило позиции тогда еще далеко не общепринятой гипотезы темной материи. Темная материя по определению никак не взаимодействует с электромагнитным излучением, но подчиняется силам гравитации. Поэтому ее частицы под действием тяготения стягиваются в исполинские комки и втягивают в них барионное вещество. Вычисления показывают, что если доля темной материи в общей массе Вселенной заметно превосходит долю барионного вещества, то величина температурных флуктуаций реликтового излучения на малых угловых масштабах сильно уступает первоначальным теоретическим оценкам. Это означает, что флуктуации барионной плотности в эпоху рекомбинации вполне могли быть на порядки больше, чем фотонные флуктуации. Именно это и подтвердил COBE, обнаруживший, что флуктуации температуры реликтового излучения составляют не десятые, а тысячные доли процента (иными словами, измеряются не милликельвинами, а десятками микрокельвинов).

Однако вернемся к играм между фотонами и барионами (конкретно — протонами и ядрами гелия), имевшим место перед началом рекомбинации. И те и другие весьма интенсивно взаимодействовали друг с другом через посредство электронного газа. Поэтому в эту эпоху космическое пространство было заполнено особой субстанцией, имевшей значительное сходство с обычными жидкостями. Поскольку плотность фотонов сильно превышала плотность барионов, эта жидкость была сжата большим световым давлением. Когда барионы втягивались в гравитационные ловушки, созданные притяжением скоплений темной материи, давление фотонов препятствовало их пленению и несколько сглаживало (но конечно, не ликвидировало) флуктуации барионной плотности. Так что плотность барионов все равно локально колебалась, и эти колебания распространялись по пространству. Иначе говоря, возникали бегущие волны плотности, вполне аналогичные обычному звуку в толще воды либо в воздухе. Как говорят астрофизики, в барионно-фотонной жидкости возбуждались барионные акустические осцилляции. При этом в местах максимального сжатия ее температура возрастала, а в зонах разрежения — падала (опять-таки как и при распространении звука в воздухе). В итоге флуктуации плотности барионно-фотонной жидкости порождали флуктуации ее температуры.

Вселенная после Большого взрыва постоянно расширялась, как и в нашу эпоху. Коль скоро ее размеры оставались конечными, звуковые волны в барионно-фотонной жидкости на любой возрастной отметке Вселенной тоже могли преодолеть лишь конечное максимальное расстояние. В первом приближении оно равно скорости звука, помноженной на этот возраст. Можно показать, что скорость звуковых волн в барионно-фотонной жидкости приблизительно в 1,7 раза меньше скорости света в вакууме (конкретно — она равна скорости света, поделенной на квадратный корень из трех). Максимальная дистанция, которую могут пройти звуковые волны к наступлению определенного возраста Вселенной, называется звуковым горизонтом.