Черные дыры и молодые вселенные

Будущее вечно расширяющейся Вселенной будет довольно скучным. Но будет ли она расширяться вечно, еще ни в коей мере не решено. У нас есть определенные свидетельства, что имеется примерно лишь одна десятая от плотности, нужной для того, чтобы Вселенная снова сжалась. И все же могут быть другие виды темной материи, которые мы пока не выявили, но которые могут повысить плотность Вселенной до критической величины или превысить ее. Эта дополнительная темная материя должна располагаться вне галактик и их скоплений. Иначе мы бы заметили ее воздействие на вращение галактик или их движение внутри скоплений.

С чего бы нам предполагать, что может найтись достаточно материи, которая в конце концов заставит Вселенную сжиматься? Почему бы просто не поверить в то, чему есть свидетельства? Причина в том, что даже наличие одной десятой критической плотности требует невероятно тщательного определения начальной плотности и скорости расширения. Если бы плотность Вселенной через одну секунду после Большого Взрыва была на одну триллионную больше, Вселенная сжалась бы через десять лет. С другой стороны, если бы она в то время была на ту же часть меньше, то с тех пор существенно опустошилась бы.

Как же получилось, что начальная плотность оказалась так тщательно выбрана? Возможно, существует какая-то причина, по которой Вселенная должна иметь точно критическую плотность. Этому можно найти два объяснения. Одно – это так называемый человеческий принцип; его можно перефразировать следующим образом: Вселенная такова, потому что будь она другой, нас бы тут не было, чтобы ее наблюдать. Идея заключается в том, что могло быть множество вселенных с разными судьбами. И только вселенные с плотностью, очень близкой к критической, смогли просуществовать достаточно долго и содержать достаточно материи для образования звезд и планет. Только в таких вселенных могли появиться разумные существа, чтобы задаться вопросом: почему это плотность Вселенной так близка к критической? Если это объяснение, то нет смысла полагать, что материи во Вселенной больше, чем мы уже обнаружили. Чтобы образовались галактики и звезды, хватило бы и десятой части критической плотности. Однако многим не нравится человеческий принцип, поскольку он, похоже, придает слишком большую важность нашему собственному существованию. Поэтому они искали какое-то другое объяснение тому, почему плотность должна быть так близка к критической. Эти поиски привели к теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключалась в том, что размеры Вселенной постоянно удваивались, как каждый месяц удваиваются цены в странах с высокой инфляцией. Однако инфляция Вселенной была гораздо быстрее и выше: увеличение с коэффициентом по меньшей мере миллиард миллиардов миллиардов при крохотной инфляции привело бы Вселенную настолько близко к критической плотности, что последняя и сейчас была бы близка к критической. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов опять сожмется, но на это ей понадобится не намного больше времени, чем те примерно пятнадцать миллиардов лет, в течение которых она расширяется.

Чем может стать дополнительная темная материя, если теория инфляции верна? По-видимому, она отличается от нормальной материи, из которой состоят звезды и планеты. Мы можем рассчитать количество различных легких элементов, произведенных на ранних, горячих этапах развития Вселенной в первые три минуты после Большого Взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества нормальной материи во Вселенной. Можно начертить график, где ординатой будет количество легких элементов, а абсциссой – количество нормальной материи. Получится хорошее соответствие с наблюдаемым содержанием элементов, если полное количество нормальной материи составит примерно лишь одну десятую от критического количества сейчас. Возможно, эти расчеты неверны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемое содержание элементов, очень впечатляет.

Если существует критическая плотность темной материи, главным претендентом на то, чтобы быть темной материей, будут остатки от ранних этапов развития Вселенной. Возможно, это элементарные частицы. Есть несколько гипотетических кандидатов – частицы, наличие которых мы предполагаем, но которые в действительности пока не обнаружены. Но самый многообещающий вариант – это частица, о существовании которой есть свидетельства, – нейтрино. Считалось, что она не имеет собственной массы, но некоторые недавние наблюдения предположили, что нейтрино может иметь маленькую массу. Если это подтвердится и будет найдено ее правильное значение, нейтрино обеспечат достаточно массы, чтобы довести плотность Вселенной до критического значения.