На лужайке Эйнштейна

Большинство докладов были посвящены тому, что́ данные WMAP означают для нашего понимания Вселенной. Для начала они позволили более точно определить возраст Вселенной, который составил 13,7 млрд лет. Далее они предоставили уникальную возможность определиться с геометрией Вселенной.

Благодаря гравитации наше пространство искривлено. При этом возможны три варианта космической геометрии: Вселенная может иметь положительную кривизну, подобно поверхности сферы; отрицательную кривизну, подобно поверхности седла; или быть плоской, как обычное евклидово пространство, в котором параллельные линии не расходятся и не пересекаются.

Лучший способ определить геометрию пространства – это нарисовать большой треугольник и сложить его углы. Если их сумма больше 180 градусов, вы будете знать, что пространство положительно изогнуто; если их сумма меньше, то кривизна отрицательна.

Слушая доклады, я узнала, что реликтовое излучение позволяет построить идеальный космический треугольник со спутником WMAP в самом остром из его углов. Траектории двух фотонов, испущенных из противоположных концов горячего или холодного пятна, представляют собой две равные стороны длинного узкого треугольника, их длина определяется временем, которое свет провел в пути, поскольку плазма излучила фотоны одновременно. Длина третьей стороны треугольника определяется расстоянием, на которое звуковые волны могут распространиться за 380 000 лет, то есть поперечным размером горячего или холодного пятна.

Зная длины всех трех сторон и используя простейшие законы тригонометрии, физики вычислили, что углы у основания треугольника составляют каждый 89,5 градусов, или в сумме 179 градусов. Теперь им просто нужен третий ближайший к нам угол. Если фотоны распространялись вдоль прямой линии, этот угол будет равняться одному градусу, доведя общую сумму до 180. Если их траектории были выгнуты наружу, как если бы они прошли сквозь положительно изогнутую Вселенную, то этот угол будет больше, а если их траектории были вогнуты внутрь из-за отрицательной кривизны, то этот угол был бы меньше. Согласно данным WMAP, третий угол равнялся точно одному градусу. Мы живем в евклидовом пространстве.

Но оставалась одна проблема. Геометрия Вселенной определяется суммарной массой или, с учетом того, что E = mc², энергией, которую она содержит. Как сказал бы Уилер, масса говорит пространству, как ему искривляться. Для того чтобы Вселенная была плоской, требуется критическая плотность массы, соответствующая в среднем шести атомам водорода на один кубический метр. На первый взгляд это совсем не много. Можно подумать, что в космосе наберется более чем достаточно материала, с учетом всех звезд и галактик. Но нет. И даже не близко.

Обычная материя – частицы, такие как протоны, электроны и кварки, – составляет жалкие 4 % от того, что нам нужно, чтобы набрать критическую плотность. Наша планета, звезды, мы сами – все, что мы видим и знаем, – дает пренебрежимо малый вклад в космическую систему вещей. Это не более чем скорбная, хоть и сияющая, вершина огромного темного айсберга.

Так что же еще находится во Вселенной? У физиков на этот счет есть несколько идей.

С одной стороны, они уже давно знали, что во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем видит глаз. Это было обнаружено благодаря простому факту: галактики не рассыпаются на миллиарды звезд, покидающих свой галактический дом во всех направлениях. Некая сила притяжения удерживает их вместе, собрав в тугую спираль или эллиптические образования, несмотря на то что общая масса всех звезд в типичной галактике не обеспечивает достаточной гравитации, чтобы проделать этот фокус. Что-то еще должно прятаться тут, скрытое в темном пространстве между звездами или окружающее каждую галактику невидимым забором, не позволяя звездам вылетать из нее. Это что-то должно обеспечивать необходимую силу тяжести, но одновременно оставаться невидимым, это что-то крепкое и твердое, как и материя, но не безразличное к электромагнетизму. Что-то темное.

Астрономы подсчитали, сколько этой темной материи скрывается в космосе. Но когда вы сложите ее с видимой частью материи, то получите только 27 % общей массы и энергии, необходимых для того, чтобы распрямить Вселенную. Неизвестные 73 % по-прежнему отсутствуют.

Введем темную энергию. В конце 90-х годов две команды астрофизиков – одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса – занимались поисками сверхновых звезд в надежде измерить скорость расширения Вселенной. Они знали, что все началось с инфляционного раздувания, но считали, что затем расширение Вселенной стало замедляться, сдерживаемое гравитацией, и так и продолжает замедляться до сих пор.